A comparison of different geometrical elements to model fluid wicking in paper-based microfluidic devices

Recently, microfluidic paper-based analytical devices (μPADs) have outstripped polymeric microfluidic devices in the ease of fabrication and simplicity. Surface tension-based fluid motion in the paper's porous structure has made the paper a suitable substrate for multiple biological assays by directing fluid into multiple assay zones. The widespread assumption in most works for modeling wicking in a paper is that the paper is a combination of capillaries with the same diameter equal to the effective pore diameter. Although assuming paper as a bundle of capillaries gives a good insight into pressure force that drives the fluid inside the paper, there are some difficulties using the effective pore radius. The effective pore radius is totally different from the average geometrical pore radius which makes it impossible to predict wicking in μPADs based on geometrical parameters. In this article, we introduce different analytical and numerical models to investigate the possibility of determining the permeability of the paper, based on geometrical parameters rather than effective parameters. The lattice Boltzmann method is used for numerical simulations. The permeability of each of the proposed models was compared with the experimental permeability. Results indicated that assuming paper as a combination of capillaries and annuluses leads to accurate results that totally depend on average geometrical values rather than effective values. This paves the way for prediction of the fluid wicking only by considering average geometrical pore and fiber diameters.     

基于声表面波纸基微流器件研究

研制了压电基片上能实现样品前处理的纸基微流器件.在128°YX-LiNbO3基片上制作了1个叉指换能器和1个反射栅;亲水性纸用来制作微流器件的微通道,浸有指示剂滤纸作为微反应器,一同粘附于透明胶带上,并采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)贴合于压电基片上.叉指换能器激发的声表面波驱动压电基片上的样品,使其输运到纸基微通道,并在纸基微反应器进行微流分析.在研制的纸基微流器件上实现了NO2-浓度的快速检测.     

碳纤维表面协同改性对纸基摩擦材料力学和摩擦学性能的影响

本研究分别采用多巴胺-端环氧基硅油与硝酸-端环氧基硅油体系改性碳纤维,对比了纤维表面形貌和化学官能团的变化,探究了化学协同改性机理。进一步表征了纸基摩擦材料的表面形貌、粗糙度及孔隙结构,研究了协同改性对纸基摩擦材料力学和摩擦学性能的影响规律。结果表明,硝酸-端环氧基硅油改性体系更有利于提升纸基摩擦材料力学强度和耐磨性,改性后纸基摩擦材料的拉伸强度和层间剪切强度分别较改性前提高了25.8%和23.6%,磨损率降至0.620×10^-8 cm³/J;相比于多巴胺预处理,硝酸刻蚀过程不仅可以增加后续端环氧基硅油接枝改性的活性位点,同时提高了碳纤维与树脂间的化学交联密度。     

混合纤维纸基复合摩擦材料的研究

对纸基纤维复合材料的成型及有关影响因素进行了初步研究.采用剑麻纤维与芳纶纤维为原料,针对原纸的抄造、纸页与树脂的复合条件、材料的热压及强度性质等进行了实验,探讨了原纸定量、原纸纤维配比、剑麻浆打浆程度以及浸渍液树脂浓度等因素对材料强度的影响.     

纸基微流控芯片刻蚀法条件优化及其在沙门氏菌检测中的应用

：目的 优化纸基微流控芯片刻蚀法制备条件,并研究改性滤纸的微观结构和性能。方法 制作压切式模具,结合模切机压切出亲水基底模型,考察硅烷化修饰时间、不同型号滤纸、三甲氧基硅烷溶液浓度、不同类型表面活性剂及其浓度和刻蚀时间对纸基微流控芯片的影响,通过滤纸接触角变化、扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）和X射线能谱仪（energy dispersive X-ray,EDS）分析纸基微流控芯片改性前后的表面微观结构和元素变化,再将纸基微流控芯片用于沙门氏菌检测比色分析。结果 选用Whatman No.1滤纸作为最佳疏水基底,三甲氧基硅烷溶液最适浓度为8%,浸泡时间为3 min,十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate,SDS）溶液为亲水通路最佳的表面活性剂,最适浓度为1%,最佳刻蚀时间为4 min;SEM显示了滤纸改性后其表面生成一种膜状结构;EDS元素分析结果表明疏水剂处理滤纸Si含量达到0.87%,亲水化处理后Si含量降为0.25%,刻蚀效果显著,比色法检测沙门氏菌获得了良好的线性关系。结论 得到了刻蚀法制备的纸基微流控芯片的最优条件,并成功应用于比色法检测沙门氏菌,研究将为其微量化、低成本、便捷化的应用提供技术和理论依据。     

ZIF-67掺杂纸基锂离子电池隔膜的制备及其性能研究

本研究将二甲基咪唑钴（ZIF-67）添加到剑麻浆料中,抽滤后制备ZIF-67掺杂纸基锂离子电池隔膜。结果表明,随着ZIF-67掺杂量由0增加至30%,纸基锂离子电池隔膜的孔隙率由74.5%降至45.5%,亲液性增加,离子电导率由0.29 mS/cm提高至2.58 mS/cm,界面电阻由467 Ω减小至210 Ω,电化学稳定窗口由4.6 V增加至5.2 V。当ZIF-67掺杂量为30%时,组装的锂离子电池在循环50次后容量保持率高达90%。剑麻纤维经羧甲基化改性后,纸基锂离子电池隔膜的孔隙率增加,各项电化学性能也有所提高,但由于其机械强度较差,导致其电池容量快速衰减。     

芳纶复合纸基摩擦材料的初步研究

本文采用高性能芳纶纤维和剑麻纤维为原料制备湿式成型纸基摩擦材料.初步探讨了原纸中两种纤维的配比、剑麻打浆度、芳纶纤维的长度和形态以及作为粘结剂的酚醛树脂的种类和上胶量等对纸基材料的力学性能和摩擦性能的影响,为进一步研究湿式成型纸基摩擦材料奠定基础.     

电场驱动喷射微3D打印的高性能纸基电路制造工艺研究

提出了一种基于电场驱动喷射沉积微尺度3D打印制造高分辨率纸基电子的新方法。阐述了该方法的基本原理与工艺流程,通过实验揭示了主要工艺参数（电压、气压、打印速度）对三种纸质基材上打印银线的质量和精度影响及其规律。利用自主研发的电场驱动喷射微3D打印机,使用含银量75%和动力黏度35 Pa·s（25 ℃）的低温纳米银浆,并结合优化工艺窗口,在纸质基材上通过多层堆叠打印实现了高分辨率、大高宽比微纳结构,其中在RC相纸上堆积15层后,其线宽可保持在10 μm、高宽比增至6.33,电阻下降了94.8%。最后,在不同纸质基材表面制作了柔性电磁驱动器、复杂导电图案等样件来证明其打印能力。结果表明,采用电场驱动射流沉积微尺度3D打印技术新方法,并结合高黏度低温烧结纳米银浆,可为高性能纸基电子制造提供有效途径。     

多糖聚合物涂层对纸基包装材料水蒸气阻隔性能的研究进展

纸基包装材料在一定湿度环境中具有较高的水蒸气渗透性,这极大地限制了其在食品包装领域的广泛应用。多糖聚合物涂层的纸基包装材料充分利用多糖聚合物良好的成膜性能和生物相容性及木质纤维材料优异的强度性能,在水蒸气高阻隔材料领域具有一定的应用潜力。本文介绍了4种常用多糖聚合物（纤维素、淀粉、壳聚糖和海藻酸盐）的理化性质,从传质小分子性质（极性和非极性）考虑,分析了多糖聚合物本身的结构特点及其在水蒸气阻隔方面存在的问题;重点探讨了通过化学改性（酯化、醚化、接枝和交联等）和使用有机/无机纳米填料（纤维素纳米晶、纳米黏土和纳米金属氧化物等）提高多糖聚合物涂层水蒸气阻隔性能的研究进展;最后,提出了多糖聚合物涂层纸基包装材料的未来研究方向及发展趋势。     

纸基钯纳米粒子复合催化材料的制备及其对Cr（Ⅵ）的催化还原性能

本研究以微纳木质纤维素纸基材料作为载体,木质素作为还原剂和封端剂,制备了具有“三明治”结构的纸基钯纳米粒子复合催化材料,并分析讨论了其对六价铬离子（Cr⁶⁺）的催化还原性能。结果表明,钯纳米粒子（Pd NPs）的尺寸随木质素含量增多而减小,木质素含量为3.07%时,Pd NPs的负载量达0.50%,同时其对Cr⁶⁺的催化效率也达到最佳效果,可在8 min内实现Cr⁶⁺到Cr³⁺完全降解转化;经过5次循环使用,催化效率仍达99%以上;通过热压提升材料的整体结合强度,可使其表现出良好的稳定性和可重复使用性。