CN102477163B - 一种基于高分子材料的微结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于高分子材料的微结构的制备方法，利用电子束辐照引发自由基接枝聚合反应，使得微结构采用高分子材料构成，同时可以选择特定的单体来得到具有特殊电学或者生物性能的高分子；由于没有光刻技术对基板厚度和硬度的要求使得基板的选材范围变宽了，可以选择柔性材质的基板，从而可以在多种材料基板上制备出高分子层的超材料微结构。

Description

一种基于高分子材料的微结构的制备方法
【技术领域】
本发明涉及超材料领域，尤其涉及基于高分子材料的微结构的制备方法。
【背景技术】
超材料是一种以人造结果为基本单元、并以特定方式进行空间排布的具有自然界材料所不具有的、特殊物理化学性质的新型材料，它的特殊性质不是由其材料本身的化学组成，而是由其人造结构的特征所决定的。
超材料的特殊性质在很大程度上取决于材料的关键物理尺度，例如晶体在原子尺度上是排列有序的，正因为如此，晶体材料拥有一些无定型态所不具有的物理特征，由此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具有的物理性质。通常人造结构的尺寸为所需响应波长的十分之一，否则这些人造结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。
超材料包括人造结构以及人造结构所附着的材料，该附着材料对人造结构起到支撑作用，因此可以是任何与人造结构不同的材料，这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，而这两个物理参数分别对应了材料的电场响应与磁场响应。
目前超材料的制备主要通过光蚀刻、电化学沉积等技术在基底材料上镀上有特定重复图案的铜层来实现；基底材料一般为硬质的FR-4，铜层重复图案为开口谐振环或者传输结构，使得基底材料的选材范围有一定的。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种基于高分子材料的微结构的制备方法，利用电子束辐照引发自由基接枝聚合反应，可以在多种材料基板上制备出高分子层的超材料微结构。
本发明解决技术问题所采用的技术方案为：一种基于高分子材料的微结构的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：
a、在真空或惰性气体环境下，将具有镂空区的遮掩板覆盖住基板，然后进行电子束辐照，电子束通过镂空区轰击所述基板相应区域的材料分子，产生自由基；
b、辐照结束后，将基板浸入到自由基稳定剂溶液中处理，处理后清洗并干燥基板，使得处理后的基板带有稳定自由基；
c、将带有稳定自由基的基板浸入装有单体溶液的反应釜中，在惰性气体和在所述的单体溶液的聚合温度的条件下充分搅拌进行接枝聚合反应；
d、完成接枝聚合反应后取出基板，清洗并干燥基板。
所述的接枝聚合反应的接枝程度由相应的时间来控制从而控制高分子材料的厚度。
所述的接枝程度跟时间成线性关系。
所述的步骤a中的遮掩板为铝制或铅制遮掩板，所述的遮掩板的镂空区采用的是机械或激光钻孔的技术制作出纳米尺寸的微结构镂空区。
所述的步骤b中自由基稳定剂为TEMPO溶液。
所述的TEMPO溶液的浓度为0.19-0.31mol/L。
所述的TEMPO溶液的浓度优选为0.21-0.28mol/L。
所述的基板的材质为硬质的或柔性的板材或薄膜。
所述的步骤c中的单体为含有双键的化合物。
所述的惰性气体为氩气或氦气。
本发明的有益效果为：利用电子束辐照引发自由基接枝聚合反应，使得微结构采用高分子材料构成，同时可以选择特定的单体来得到具有特殊电学或者生物性能的高分子；由于没有光刻技术对基板厚度和硬度的要求使得基板的选材范围变宽了，可以选择柔性材质的基板，从而可以在多种材料基板上制备出高分子层的超材料微结构。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于高分子材料的微结构的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
a、在真空或惰性气体环境下，将具有镂空区的遮掩板覆盖住基板，然后进行电子束辐照，电子束通过镂空区轰击所述基板相应区域的材料分子，产生自由基；
利用的是电子束辐照引发自由基接枝聚合的反应，由于没有了光刻技术对基板厚度和硬度的要求，所以所述的基板的材质可以为硬质的或柔性的板材或薄膜，例如PP、PTFE、PE、PVDF等等；
b、辐照结束后，将基板浸入到自由基稳定剂溶液中处理，处理后清洗并干燥基板，使得处理后的基板带有稳定自由基；
在本实施例中所述的自由基稳定剂优选为TEMPO溶液，TEMPO溶液的浓度为0.19-0.31mol/L，优选为0.21-0.28mol/L；
c、将带有稳定自由基的基板浸入装有单体溶液的封闭的反应釜中，在惰性气体和在此所述的单体溶液的聚合温度的条件下充分搅拌进行接枝聚合反应；
只要是含有双键的化合物都可以作为单体，例如苯乙烯、丙烯酸等；而所述的惰性气体优选为氩气或氦气；
所述的接枝聚合反应的接枝程度由相应的时间控制，并且接枝程度跟时间成线性关系，从而来控制高分子材料的厚度；
d、完成接枝聚合反应后取出基板，清洗并干燥基板。
所述的步骤a中的遮掩板为铝制或铅制遮掩板，所述的遮掩板的镂空区采用的是机械或激光钻孔的技术制作出纳米尺寸的微结构镂空区。
实施例一：
一种基于高分子材料的微结构的制备方法，所述的制备方法为：
a、在真空或惰性气体环境下，将具有镂空区的铝制遮掩板覆盖住材质为PVDF的基板，然后进行电子束辐照，电子束通过镂空区轰击所述基板相应区域的材料分子，产生自由基；
b、辐照结束后，将基板浸入到自由基稳定剂为TEMPO溶液中处理，所述的TEMPO溶液的浓度为0.25mol/L，处理后清洗并干燥基板，使得处理后的基板带有稳定自由基；
c、将带有稳定自由基的基板浸入装有苯乙烯溶液的封闭的反应釜中，在惰性气体为氩气、温度为80摄氏度的聚合温度的条件下充分搅拌进行接枝聚合反应；可以由时间控制接枝反应的接枝程度，从而来控制高分子材料的厚度；
d、完成接枝聚合反应后取出基板，清洗并干燥基板。
采用本实施例基于高分子材料的微结构的制备方法，利用电子束辐照引发自由基接枝聚合反应，使得微结构可以采用高分子材料构成；并且由于没有光刻技术对基板厚度和硬度的要求使得基板可以选择硬质材料也可以选择柔性材料，从而可以在多种材料基板上制备出高分子层的超材料微结构。
实施例二：
实施例二相对于实施例一不同点在于单体溶液为苯乙烯的溶液可以进行磺化，可以使得制备的基板具有特殊的电学性能；配置0.5mol/L的氯磺酸溶液，将已接枝聚苯乙烯的基板浸入氯磺酸溶液中磺化2小时，经过清洗和干燥之后即可得到具有电学性能的成品。
实施例三：
基于高分子材料的微结构的制备方法，所述的制备方法为：
a、在真空或惰性气体环境下，将具有镂空区的铝制遮掩板覆盖住材质为PVDF的基板，然后进行电子束辐照，电子束通过镂空区轰击所述基板相应区域的材料分子，产生自由基；
b、辐照结束后，将基板浸入到自由基稳定剂为TEMPO溶液中处理，所述的TEMPO溶液的浓度为0.24mol/L，处理后清洗并干燥基板，使得处理后的基板带有稳定自由基；
c、将带有稳定自由基的基板浸入装有丙烯酸溶液的封闭的反应釜中，在惰性气体为氩气、温度为80摄氏度的聚合温度的条件下充分搅拌进行接枝聚合反应；可以由时间控制接枝反应的接枝程度，从而来控制高分子材料的厚度；
d、完成接枝聚合反应后取出基板，清洗并干燥基板。
采用本实施例基于高分子材料的微结构的制备方法，利用电子束辐照引发自由基接枝聚合反应，使得微结构可以采用高分子材料构成；并且由于没有光刻技术对基板厚度和硬度的要求使得基板可以选择硬质材料也可以选择柔性材料，从而可以在多种材料基板上制备出高分子层的超材料微结构。
实施例四：
实施例四相对于实施例一和三的不同点在于所用的基板为PE材质的基板；
基于高分子材料的微结构的制备方法，所述的制备方法为：
a、在真空或惰性气体环境下，将具有镂空区的铝制遮掩板覆盖住材质为PE的基板，然后进行电子束辐照，电子束通过镂空区轰击所述基板相应区域的材料分子，产生自由基；
b、辐照结束后，将基板浸入到自由基稳定剂为TEMPO溶液中处理，所述的TEMPO溶液的浓度为0.25mol/L，处理后清洗并干燥基板，使得处理后的基板带有稳定自由基；
c、将带有稳定自由基的基板浸入装有苯乙烯溶液的封闭的反应釜中，在惰性气体为氩气、温度为70摄氏度的聚合温度的条件下充分搅拌进行接枝聚合反应；可以由时间控制接枝反应的接枝程度，从而来控制高分子材料的厚度；
d、完成接枝聚合反应后取出基板，清洗并干燥基板。
采用本实施例基于高分子材料的微结构的制备方法，利用电子束辐照引发自由基接枝聚合反应，使得微结构可以采用高分子材料构成；并且由于没有光刻技术对基板厚度和硬度的要求使得基板可以选择硬质材料也可以选择柔性材料，从而可以在多种材料基板上制备出高分子层的超材料微结构。
由于单体采用的是苯乙烯，所以可以进行磺化反应，使得制备的基板具有特殊的电学性能；配置0.5mol/L的氯磺酸溶液，将已接枝聚苯乙烯的基板浸入氯磺酸溶液中磺化2小时，经过清洗和干燥之后即可得到具有电学性能的成品。
实施例五：
实施例五相对于实施例四的不同点在于单体采用的是丙烯酸；
基于高分子材料的微结构的制备方法，所述的制备方法为：
a、在真空或惰性气体环境下，将具有镂空区的铝制遮掩板覆盖住材质为PE的基板，然后进行电子束辐照，电子束通过镂空区轰击所述基板相应区域的材料分子，产生自由基；
b、辐照结束后，将基板浸入到自由基稳定剂为TEMPO溶液中处理，所述的TEMPO溶液的浓度为0.24mol/L，处理后清洗并干燥基板，使得处理后的基板带有稳定自由基；
c、将带有稳定自由基的基板浸入装有丙烯酸溶液的封闭的反应釜中，在惰性气体为氩气、温度为70摄氏度的聚合温度的条件下充分搅拌进行接枝聚合反应；可以由时间控制接枝反应的接枝程度，从而来控制高分子材料的厚度；
d、完成接枝聚合反应后取出基板，清洗并干燥基板。
采用本实施例基于高分子材料的微结构的制备方法，利用电子束辐照引发自由基接枝聚合反应，使得微结构可以采用高分子材料构成；并且由于没有光刻技术对基板厚度和硬度的要求使得基板可以选择硬质材料也可以选择柔性材料，从而可以在多种材料基板上制备出高分子层的超材料微结构。
应当理解，以上实施例中，采用的单体能进行磺化反应的可以得到具有特殊电学性能的高分子；不能进行磺化反应的但选定特定的单体也可以得到具有生物性能的高分子。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (9)

1.一种基于高分子材料的微结构的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：
a、在真空或惰性气体环境下，将具有镂空区的遮掩板覆盖住基板，然后进行电子束辐照，电子束通过镂空区轰击所述基板相应区域的材料分子，产生自由基，其中，所述基板的材质为硬质的或柔性的板材或薄膜；
b、辐照结束后，将基板浸入到自由基稳定剂溶液中处理，处理后清洗并干燥基板，使得处理后的基板带有稳定自由基；
c、将带有稳定自由基的基板浸入装有单体溶液的反应釜中，所述单体溶液为苯乙烯的溶液，在惰性气体和在所述的单体溶液的聚合温度的条件下充分搅拌进行接枝聚合反应；
d、完成接枝聚合反应后取出基板，将已接枝聚苯乙烯的基板浸入氯磺酸溶液中磺化，清洗并干燥基板。
2.根据权利要求1所述的基于高分子材料的微结构的制备方法，其特征在于：所述的接枝聚合反应的接枝程度由相应的时间来控制从而控制高分子材料的厚度。
3.根据权利要求2所述的基于高分子材料的微结构的制备方法，其特征在于：所述的接枝程度跟时间成线性关系。
4.根据权利要求1所述的基于高分子材料的微结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤a中的遮掩板为铝制或铅制遮掩板，所述的遮掩板的镂空区采用的是机械或激光钻孔的技术制作出纳米尺寸的微结构镂空区。
5.根据权利要求1所述的基于高分子材料的微结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤b中自由基稳定剂为TEMPO溶液。
6.根据权利要求5所述的基于高分子材料的微结构的制备方法，其特征在于：所述的TEMPO溶液的浓度为0.19-0.31mol/L。
7.根据权利要求6所述的基于高分子材料的微结构的制备方法，其特征在于：所述的TEMPO溶液的浓度优选为0.21-0.28mol/L。
8.根据权利要求1所述的基于高分子材料的微结构的制备方法，其特征在于：所述的基板的材质为硬质的或柔性的板材或薄膜。
9.根据权利要求1所述的基于高分子材料的微结构的制备方法，其特征在于：所述的惰性气体为氩气或氦气。
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