基于聚二甲基硅氧烷(pdms)的复合物及其合成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于聚二甲基硅氧烷（PDMS)的复合物及其合成方法。具体地，本发明 涉及基于PDMS的导电和磁性复合物。
【背景技术】
[0002] 在最近几年，对于使用基于PDMS的导电和/或磁性复合物制造器件方面取得了重 要的进展。这种复合物的一个主要应用为在微流体领域中制造电极、微传感器或微加热器 等[1-2]。由于其透明性、生物兼容性和优良柔性等的特性，PDMS对微器件的制造起了非常 重要的作用[3]。然而，PDMS本身为非导电和非磁性聚合物。由于金属和PDMS之间的粘合 力很弱，PDMS很难和金属结构配合使用。因此，在微流体芯片集成中将导电颗粒与PDMS胶 体混合的技术是非常重要的。
[0003] 从2001年由Graron等人编写的将碳纤维混入PDMS中的第一篇报告开始[4]， 已发明了很多具有不同用途的不同基于PDMS的复合物：用于机械应用的Cu+PDMS复合物 [5];用于导电目的的Ag+PDMS复合物[6];用于磁阻和压阻目的的Ni+PDMS复合物[5]和 Fe3O4OAg复合物[7];用于微流体器件中的磁阀的Fe(CO) 5+PDMS复合物[8];和用于磁流变 (MR)弹性体的 Fe+H)MS 复合物[9]、CoFe204+roMS 复合物[10]和 Fe2_xCoSmx04+PDMS 复合物 [11]。
[0004] 在上述基于PDMS的复合物中，Ni+PDMS复合物由于其明显的压阻效应，通常用作 压力传感器。最近的报告指出，当施加高压时，Ni+PDMS样品的电阻率显着下降约10个量 级。然而，压缩后样品的电阻率仍然太高而不能认为是电导体。另一方面，Ag+PDMS复合物 为有前途的低电阻率材料并因此适合于任何电学应用。然而，由于在Ag+PDMS中银的浓度 高，不均匀性是个很大的问题。对于导电和磁性应用，涂覆银颗粒的Fe 3O4 (Fe3O4OAg)是使 导电颗粒有磁性的一种方案，但该颗粒的制造过程复杂且不易控制。
[0005] 上述的大多数基于PDMS的复合物是通过将相应颗粒与PDMS胶体直接混合合成， 即通过简单地将固体颗粒注入PDMS胶体并搅拌直至胶体变得均匀。但上述过程并不是好 的方法，因为当PDMS复合物中的固体颗粒需要为高浓度时，没有多少溶剂（PDMS )去溶解所 有颗粒。而且，由于颗粒+PDMS胶体的高粘性，搅拌是困难的。例如，难以通过将17. 6g的 银颗粒与仅仅2. 4g的PDMS胶体均匀混合，从而制造88%wt (重量百分数）的Ag+PDMS复合 物。也应该注意的是，一些上述的复合颗粒，例如Fe304@Ag、CoFe 204或Fe2_xCoSmx0 4是难于合 成而不易得到。
【发明内容】
[0006] 根据上述【背景技术】，本发明的一个目的是提供合成基于PDMS的复合物的替代方 法。
[0007] 因此，本发明的一个方面为合成基于PDMS的复合物的方法，其包括的步骤为：（1) 使用低闪点溶剂润湿多个导电颗粒；（2)将导电颗粒与PDMS胶体混合；（3)使所述低闪点 溶剂蒸发以形成混合物；和（4)固化所述混合物以形成基于PDMS的复合物。
[0008] 在一个实施方案中，导电颗粒选自银、镍、铁和金，并且导电颗粒的平均尺寸为 L 2 μ m 至 5 μ m〇
[0009] 在另一个实施方案中，低闪点溶剂选自丙酮、己烧和庚烧。
[0010] 在另一个实施方案中，蒸发步骤在室温下进行24小时。
[0011] 在另一个实施方案中，固化步骤进一步包括在60°C下将混合物加热48小时的步 骤。
[0012] 在一个实施方案中，基于PDMS的复合物的合成方法进一步包括超声处理多个导 电颗粒的步骤；其中所述超声步骤的持续时间为15分钟。
[0013] 根据本发明的另一方面，公开了一种基于PDMS的复合物。所述基于PDMS的复合 物包括PDMS胶体和分布在PDMS胶体内的多个导电颗粒；其中，基于PDMS的复合物中导电 颗粒的重量百分数为86%至91%。
[0014] 在一个示例性实施方案中，导电颗粒选自银、镍、铁和金，并且导电颗粒的平均尺 1·2μηιΜ5μηι。
[0015] 在一个示例性实施方案中，银被用作导电颗粒，且基于PDMS的复合物中银的重量 百分数为88%至90%，且相应的基于PDMS的复合物的导电率为IO- 2SnT1至IO4Sm'
[0016] 在一个示例性实施方案中，镍被用作导电颗粒，且基于PDMS的复合物中镍的重量 百分数为87%至90%，且当施加的压应力从OkPa增加至250kPa时，相应的基于PDMS的复合 物的电阻率下降大于7个数量级。
[0017] 本发明具有很多优势。首先，所提出的合成方法可增加金属颗粒在PDMS中的溶解 度，并降低得到的基于PDMS的复合物的电阻率。而且，其也可使金属颗粒在复合物中的扩 散更加均匀。
[0018] 本方法的另一个优势是由于其低闪点的性能，不需要加热就可蒸发溶剂。该方法 也可以使基于PDMS的复合物的绝缘效果最小化。
【附图说明】
[0019] 图1示出了本发明的一个实施方案的合成基于PDMS的复合物的方法。
[0020] 图2示出了本发明的一个实施方案，在施加约32kPa的压应力之前、期间和之后， 具有不同的镍浓度的Ni+PDMS复合物的三个柱状样品(直径：52. 7mm，高度：7mm)的电阻。
[0021] 图3a至3c示出了本发明的一个实施方案，90%wt Ni+PDMS复合物的柱状样品（直 径：52. 7mm，高度：23. 8mm)的电学和机械特性。具体是，图3a示出了相对于施加在样品上的 压应力的样品电阻率；图3b示出了相对于施加在样品上的应变的施加在样品上的压应力； 且图3c示出了相对于施加在样品上的应变的样品电阻率。
[0022] 图4a至4b示出了本发明的一个实施方案，90%wt Ni+PDMS的柱状样品在第一次和 第二次压缩（间隔10分钟）时的电学性能的比较。具体是，图4a示出了样品的电阻率相对 于施加在样品上的应力的对数图；且图4b示出了样品的电阻率相对于压应力的图（集中在 低电阻率区域)。
[0023] 图5a至5b示出了本发明的一个实施方案中具有不同的银浓度的Ag+PDMS复合物 的电学性能和杨氏模量。具体是，图5a示出了相对于银的浓度的样品导电率；且图5b示出 了相对于银的浓度的样品杨氏模量。
[0024] 图6a至6e示出了本发明的一个实施方案的光刻技术的示意图。
[0025] 图7示出了本发明的不同实施方案中具有不同沟道宽度的微加热器。具体是，图 7a示出了具有10 μ m沟道宽度的微加热器；图7b示出了本发明实施方案的100-μ m微加 热器的尺寸；图7c示出了与图7b相同的实施方案的100-μπι微加热器沟道的显微照片；且 图7d示出了 500-μ m微加热器的尺寸。
[0026] 图8示出了在施加3. 5V的电压下，本发明的一个实施方案的Ag+PDMS微加热器的 热性能。
[0027] 图9a至9b示出了本发明的一个实施方案的聚合酶链反应（PCR)的构成。具体是， 图9a示出了温度控制箱；且图9b示出了用于PCR芯片的支架（stand)和冷却系统。
[0028] 图IOa至IOb示出了与图9相同的实施方案的PCR热循环和PCR结果。具体是， 图IOa示出了 25个在91°C下30s和在71°C下30s的热循环；且图IOb示出了 PCR结果的 凝胶电泳图像：I .DNA标记，II ·在台机（bench machine)上实施的PCR，和III.在Ag+PDMS 微加热器中实施的