Κατασκευή υπερυδρόφιλων - υπερυδρόφοβων πολυμερικών μικροκαναλιών και μελέτη του πεδίου ροής νερού σε αυτά μέσω της τεχνικής micro PIV .

Abstract

Η τροποποίηση με πλάσμα αποτελεί καθιερωμένη μέθοδο ώστε να παραχθούν υπερυδροφοβικές και υπερυδροφιλικές επιφάνειες, γνωστή και ως νανο-ύφανση. Στην παρούσα εργασία επιτυγχάνεται η σε κατασκευή τραπεζοειδών μικροκαναλιών από PMMA, με τυπικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται στην μικροτεχνολογία (κατασκευή προτύπου -καλουπιού από Πυρίτιο τραπεζοειδούς διατομής και εν θερμώ σφράγιση πολυμερικού υποστρώματος), τα οποία τροποποιούνται σε τρεις πλευρές τους με το πλάσμα. Πρόκειται για μια πρωτότυπη μέθοδο που δίνει κανάλια με 3 από τις 4 επιφάνειες τους υπερυδρόφιλες ή υπερυδρόφοβες. Χρησιμοποιώντας την μετρητική τεχνική micro P.I.V. μετρήθηκαν οι κατανομές της αξονικής ταχύτητας νερού σε διάφορα βάθη ευθύγραμμων υπερυδρόφιλων και υπερυδρόφοβων μικροκαναλιών τραπεζοειδούς διατομής βάθους 129μm. Διαπιστώθηκε ότι για παροχή 5μl/min (και Re=0,6) οι ταχύτητες στα υπερυδρόφοβα μικροκανάλια είναι μεγαλύτερες από εκείνες των υπερυδρόφιλων για μεγάλο εύρος της διατομής (κυρίως προς την μικρή βάση της διατομής). Στα υπερυδρόφοβα κανάλια καταγράφηκαν ταχύτητες ολίσθησης έως και 25% της μεγίστης και μήκη ολίσθησης έως 7μm. Και τα δυο αυτά μεγέθη μεταβάλλονταν με το βάθος, μεγιστοποιούμενα περί το μέσον του όπου επικρατούσαν οι μεγαλύτεροι ρυθμοί διάτμησης στην περιοχή των τοιχωμάτων των καναλιών.

Plasma treatment is a well established method for the fabrication of superhydrophobic and superhydrophilic surfaces, known as nanotexturing. In the present dissertation the fabrication of trapezoidal microchannels from PMMA is achieved, using typical methods that are broadly used in microtechnology (trapezoidal cross section master fabrication from silicon, and hot embossing of polymer substrate), which are treated in three sides with plasma. It constitutes a pioneering method in which 3 out of 4 sides are superhydrophobic and superhydrophilic. The velocity profiles of water flow were measured in different depths of the trapezoidal cross section straight microchannels using micro P.I.V. Both superhydrophobic and superhydrophilic microchannels of depth 129 μm were compared. It was discovered that for a 5μl/min (and Re=0,6) flow rate, the velocities of superhydrophobic microchannels were higher than those of superhydrophilic for a broad field of the cross section (especially in the region near the small base of the trapezoidal cross section). In superhydrophobic microchannels exhibited slip velocities that were up to 25% of the maximum velocities and slip lengths of up to 7μm were measured. Both these measurements change with depth, and are maximized at the central region of the cross section, where the highest near wall shear rates were found.