CN102502483A - 一种基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，包括：1)根据所加工的微纳复合结构的要求，分离出微米结构及纳米结构，然后分别制备微米结构模具和纳米结构模具；2)将微米结构模具、纳米结构模具和聚合物基片叠合，采用热压成型方法对聚合物基片复制微纳复合结构；3)先将容易脱模的微米结构模具与纳米结构模具分离，再选择溶剂将纳米结构模具溶解，得到具有微纳复合结构的聚合物基片。本发明方法大大降低模具的加工难度，同时减少了脱模过程对微纳结构所造成的损伤，提高了脱模效率和微纳复合结构成品的质量，本发明方法具有效率高，一致性好，可控性好、成本低等优点。

Description

一种基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法

技术领域

本发明涉及聚合物微纳复合结构加工领域，具体涉及一种基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)技术的日臻成熟，微纳复合结构逐渐在仿生学、电子学、光学、传感器以及生物医学等方面得到了广泛的应用。微纳复合结构的加工也引起了广泛的关注。微纳复合结构是指在微米尺度的结构表面复合一层纳米尺度的功能结构，以实现在原来的微米尺度结构功能基础上进行表面改性，从而复合一些新的特定功能。

通过在微米结构表面加工出纳米结构，形成微纳复合结构，可以实现提高微光电结构的光及电磁波的捕获性能、改善微结构的电学性能等种种用途。比如在对微流控芯片微通道上加工出纳米柱状结构，通过调控纳米结构的分布可以实现微通道的亲水效应或疏水效应。

目前，对于微纳结构常用的加工方法有光刻、化学刻蚀、等离子刻蚀、电铸等技术。这些方法用来加工单独微米结构或纳米结构都没有问题，其技术也很成熟。由于微米结构和纳米结构是两种尺度跨度较大的结构，其尺度比一般大于100∶1，尺度比是指微米结构的最小结构单位与纳米结构的最小结构单位的数值之比，因此，对于微纳复合结构的加工，要求加工设备不但要具有很大的工作行程，而且更要有很高的分辨率。这使得能够满足微纳复合结构加工的装备价格非常昂贵，同时，也限制了微纳复合结构的广泛应用。

聚合物热压成型技术具有低成本、操作简单、高效率、适用于大批量制造等优点，是当前微纳加工的一个常用方法。其加工过程相对简单，主要分为模具制备和压印成型两个步骤。模具的制备，目前主要采用光学刻蚀、光刻等技术，由于聚合物热压成型技术的难点及成本主要集中在模具加工阶段，因而如何能以较低的成本加工出结构可控的模具是热压成型加工的核心。现有技术中，常用的微纳复合结构加工方法：(1)通过如光刻、刻蚀等方法加工出金属的微结构模具，然后再对金属模具进行腐蚀，以在其表面形成纳米结构，随后便可以采用聚合物热压成型的方法复制聚合物基的微纳复合结构，但使用这种方法进行微纳复合结构的加工主要缺点在于纳米结构的加工是通过腐蚀的方式，只能在模具表面形成特定形状的纳米结构，无法进行纳米结构的调控及优化，导致其应用范围受限；(2)采用大行程，高分辨率的光刻设备或飞秒激光等方法直接进行微纳复合结构的加工，但该方法的成本太高，难度很大，目前还没有相关的文献报道。上述常用的微纳复合结构模具加工方法存在着加工难度大、成本高、纳米结构不可调控等技术问题，使得微纳复合结构模具加工方法的使用受到很大的限制。

对微纳复合结构而言，由于其尺度相差较大，采用现有的机械方式将模具和聚合物基片进行分离的方式无法同时满足脱模效率和脱模质量。公开号为CN 101249938A的中国专利申请公开了一种基于气动的微纳米压印脱模结构，所设计的气动脱模机构可以满足微米结构或纳米结构的高效、高质量脱模，但对微纳复合结构而言，脱模质量和脱模效率不太令人满意，存在着技术缺陷。

发明内容

本发明提供了一种基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，利用微米结构模具、纳米结构模具和聚合物基片叠合，采用热压成型方法对聚合物基片进行加工复制微纳复合结构，采用化学脱模方法，得到聚合物微纳复合结构的成品，该方法降低模具的加工难度，纳米结构可调控性好，同时减少了脱模过程对微纳结构所造成的损伤。

一种基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，包括以下步骤：

1)根据所加工的微纳复合结构的要求，分离出微米结构及纳米结构，然后根据分离出的微米结构和纳米结构分别制备微米结构模具和纳米结构模具；

2)将步骤1)中制备的微米结构模具、纳米结构模具和聚合物基片叠合，采用热压成型方法对聚合物基片复制微纳复合结构；

3)先将容易脱模的微米结构模具与纳米结构模具分离，再选择溶剂将纳米结构模具溶解，得到具有微纳复合结构的聚合物基片，即在聚合物基片上获得微纳复合结构成品。

为了使本发明达到更好的发明效果，对本发明进行进一步的优选：

所述的微米结构模具的硬度≥300R，所述的微米结构模具的屈服强度≥200MPa；所述的聚合物基片的玻璃态转化温度T_g在80℃～200℃；所述的纳米结构模具的玻璃态转化温度≥T_g+20℃，所述的纳米结构模具的硬度为105R～200R，所述的纳米结构模具的屈服强度为45MPa～105MPa。以上对微米结构模具、纳米结构模具和聚合物基片的限定，使得本发明基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法能很好地完成聚合物基片上微纳复合结构的复制。

步骤1)中，所述的微米结构模具的材料为金属或硅；具体地，所述的微米结构模具的材料可选用镍。所述的微米结构模具采用等离子刻蚀、化学腐蚀、LIGA技术等方法制备，LIGA是德文Lithographie，Galanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写。LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制三个工艺步骤。LIGA技术可以制备高质量的微尺度结构及高精度的纳米尺度结构，但很难制备跨尺度的微纳复合结构。通过上述方法制备的微米结构模具在加工过程中可重复使用。

所述的纳米结构模具的材料为聚合物材料；所述的聚合物材料为聚丙烯(PP)、硅橡胶(PDMS)等中的一种；所述的纳米结构模具通过热压技术在聚合物薄膜上制得。

纳米结构模具的制备过程包括以下步骤：①、纳米级金属模具制备：利用电铸技术或者LIGA技术制备出纳米级硬模具；②、纳米结构模具的制得：将纳米级金属硬模具和聚合物薄膜共同加热至聚合物压印温度之上，然后在模具上施加设定好的接触压力，将步骤①制备的纳米级金属模具压向聚合物薄膜。保持压力和温度参数一定时间不变后，开始逐渐降温，直至聚合物(如聚丙烯)脱模温度以下，撤去接触压力并开始脱模，取出聚合物薄膜，得到纳米结构模具。

为了实现微米尺度功能结构进行表面改性，在微米尺度的功能结构表面加工出纳米结构，微米结构模具中的微米结构与纳米结构模具中的纳米结构的尺度比为10～1000。当微米结构模具中的微米结构与纳米结构模具中的纳米结构的尺度比为100～1000时，微米结构和纳米结构中的两种尺度跨度很大，对于这种微纳复合结构的加工，要求加工设备不但要具有很大的工作行程，而且更要有很高的分辨率。这使得现有技术中能够满足微纳复合结构加工的装备价格非常昂贵，同时，也限制了微纳复合结构的广泛应用。本发明采用分离式的双模具组合成微纳复合结构的模具加工聚合物基片，得到微纳复合结构成品，解决了上述的技术问题，相对于现有技术，该条件下，本发明具有更好的发明效果。

步骤2)中，微米结构模具和纳米结构模具叠合使得纳米结构模具贴合到微米结构模具表面形成微纳复合结构的模具，对聚合物基片进行微纳复合结构的加工。所述的热压成型方法包括压印预处理、加热加压保压和冷却脱模等步骤，其具体包括如下步骤：

(a)压印预处理：将制作好的微米结构模具、纳米结构模具和聚合物基片用蒸馏水和酒精彻底干净后，按微米结构模具、纳米结构模具和聚合物基片依次安装好，抽真空，设定好各个压印参数；

(b)加热加压保压：在微米结构模具上施加一定的预压力，以保证微米结构模具与纳米结构模具、纳米结构模具与聚合物基片之间接触良好，避免空隙出现。加热聚合物基片、微米结构模具和纳米结构模具至压印温度之上后，施加设定好的接触压力，并在保持参数不变的情况下，保持模具和聚合物基片一定的接触时间；

(c)冷却脱模：保持接触压力不变，降温至脱模温度，释放真空，撤去接触压力，将微米结构模具和纳米结构模具分离。

将纳米结构模具和聚合物基片一起放入溶剂中，将纳米结构模具溶解掉，清洗聚合物基片，得到高质量的微纳复合结构成品。

步骤3)中，所述的溶剂是纳米结构模具的良溶剂，且是聚合物基片的非溶剂。选择合适的溶剂是指要根据纳米结构模具材料和聚合物基片材料的特点，选择可以溶解纳米结构模具而不能溶解聚合物基片材料的溶剂。具体地，如纳米结构模具的材料选用聚丙烯，而聚合物基片的材料选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，这时溶剂材料可以选用环己烷(C6H12)，该溶剂对聚丙烯具有很好的溶解性，但不能溶解聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

纳米结构模具的材料可采用聚丙烯(PP)薄膜，聚丙烯(PP)作为一种结构规整的高结晶聚合物，其具有优良的热力学性能，强度、硬度和弹性性能优于一般聚合物，同时具有很好的耐热性，制品150℃左右时也不易变形。而化学溶解性与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)也有较大的区别，其含有氢键，可以较好的溶于脂肪烃等有机溶剂，而聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)则无法与脂肪烃反应。因此，可以很好的满足纳米结构模具在聚合物基片变形温度之上可以发生弹性变形，而无塑性变形，且和聚合物基片能选择性溶解的工艺特性。

本发明的基本原理在于通过分别制作微米结构模具和纳米结构模具，将两种模具叠加后作为纳复合结构模具进行聚合物热压成型。在热压时纳米结构模具由于压力作用会贴合到微米结构模具表面形成微纳复合结构模具，并在热压过程中实现将微纳复合结构转印到聚合物上。考虑到单独制作微米结构及纳米结构的模具技术上很成熟，成本也较低，本方法可为微纳复合结构的加工提供一种通用高效的加工方法。同时为了降低微纳复合结构脱模时的难度，避免模具和聚合物分离时对模具和聚合物结构所造成的损伤，本发明采用化学溶解的方法将纳米结构模具溶解实现热压成型过程的脱模。

与现有技术相比，本发明具有的如下优点：

本发明采用了分离式的双模具组合成微纳复合结构模具，微纳复合结构的模具中的微米结构模具和纳米结构模具是通过现有技术单独制备的，其制备过程的可控性好，成本也比较低，对于由微米结构模具和纳米结构模具组成的分离式双模具加工同一微纳复合结构，其微米结构模具可以使用多次，纳米结构模具虽然不能使用多次，但是其制备比较容易，且其成本很低。

本发明利用分离式双模具结构进行聚合物微纳复合结构的加工，在加工过程中，微米结构模具和纳米结构模具在压印过程中能做到较好的配合，非常好地将微纳复合结构转印到聚合物基片上，微纳复合结构可控性好，提高了加工效率，大大降低工艺难度、解决微纳复合结构中的纳米结构不易调控问题。同时引入了化学脱模方法，避免了机械式脱模所带来的结构损坏和脱模应力，降低微纳复合结构脱模时的难度，提高了脱模效率和微纳复合结构成品的质量。

本发明方法成型效率高，一致性好，成本低，无需特殊的装置，具有很好的经济效益，适合工业化生产。

附图说明

图1是本发明微米结构模具的结构示意图，其中，图1中(a)为微米结构模具的立体图，(b)为微米结构模具的剖视图；

图2是本发明纳米结构模具的结构示意图，其中，图2中(c)为纳米结构模具的立体图，(d)为纳米结构模具的剖视图；

图3是本发明基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法的工作流程图；

图4是本发明基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的加工过程示意图，其中，图中1为微米结构模具，2为纳米结构模具，3为聚合物基片，4为衬底，图4a、图4b、图4c为图4中指定位置的放大图。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，图1是本发明所涉及的微纳复合结构模具中微米结构模具的结构示意图，为方便说明，示图中的模具一律采用传统的周期性光栅结构，微米结构模具采用金属镍通过电铸技术获得微米结构，在加工过程中可重复使用，其中，微米结构模具为微米级的周期性光栅，其光栅脊宽为2μm，周期为4μm，高度为2μm。

如图2所示，图2是本发明所涉及的微纳复合结构模具中纳米结构模具的结构示意图，为方便说明，示图中的模具一律采用传统的周期性光栅结构，其中，纳米结构模具为纳米级的周期性光栅，其光栅脊宽为10nm，周期为20nm，高度为10nm。纳米结构模具为聚丙烯纳米结构模具。

纳米结构模具的制备采用热压技术便于获得大批量的纳米结构模具，其过程如下：

①、纳米级金属模具制备：采用金属镍通过电铸技术获得纳米级金属模具。

②、纳米结构模具的制得：将纳米级金属模具和聚丙烯薄膜共同加热至聚丙烯压印温度150℃，然后在模具上施加设定好的接触压力，将模具压向聚丙烯薄膜。保持0.85MPa的压力和150℃的压印温度3分钟不变后，开始逐渐降温，直至聚丙烯脱模温度80℃以下，撤去接触压力并开始脱模，取出聚丙烯薄膜，得到聚丙烯纳米结构模具。

如图4所示，是本发明聚合物微纳复合结构的加工过程示意图，具体为聚合物周期性光栅微纳复合结构的加工过程，包括微米结构模具1、纳米结构模具2、聚合物基片3和衬底4；聚合物基片3的材料为PMMA；使用衬底4是为了方便聚合物基片的提取、提高平整度、防止聚合物基片中的部分留在加热板上。

如图4中(a)所示，将制作好的微米结构模具1和纳米结构模具2及聚合物基片3用蒸馏水和酒精彻底洗干净后，按衬底4、聚合物基片3、纳米结构模具2和微米结构模具1依次安装好，平整地将衬底4、聚合物基片3和纳米结构模具2放在一起先进行叠合，微米结构模具1沿垂直于聚合物基片3的方向接近纳米结构模具2，使微米结构模具1与纳米结构模具2接触，抽真空，相对真空度应不低于-0.09MPa。在微米结构模具1上施加0.05MPa的预压力，以保证微米结构模具1与纳米结构模具2、纳米结构模具2与聚合物基片3之间接触良好，避免空隙产生。设定各项压印参数，相对真空度取-0.09MPa，接触压力为0.85MPa，微米结构模具1、纳米结构模具2和聚合物基片3的加热温度为95℃。

如图4中(b)所示，加热模具和聚合物基片至压印温度95℃后，施加设定好的接触压力0.85MPa，并保持一段时间，时长为3min。在热压时纳米结构模具2在压力作用会贴合到微米结构模具1表面形成微纳复合结构模具，并在热压过程中将微纳复合结构转印到聚合物基片3上，即纳米结构模具2的纳米级的周期性光栅结构贴合到微米结构模具1的微米级的周期性光栅结构的表面，形成微纳周期性光栅复合结构，在接触压力0.85MPa的作用下，将微纳周期性光栅复合结构转印到聚合物基片3，然后保持3min时间，使微纳周期性光栅复合结构成功地转印到聚合物基片3。

如图4中(c)所示，将微米结构模具1、纳米结构模具2和聚合物基片3的温度降至脱模温度70℃，释放真空，撤去0.85MPa的接触压力，将微米结构模具1从压印方向的反方向抬起，然后分离，纳米结构模具2附在聚合物基片3上，此时，聚合物基片3具有微米级的周期性光栅结构。

如图4中(d)所示，将附有纳米结构模具2的聚合物基片3继续冷却至室温，将附有纳米结构模具2的聚合物基片3共同放入环己烷溶液中，由于纳米结构模具2的材料为聚丙烯；聚合物基片3的材料为聚甲基丙烯酸甲酯；环己烷是聚丙烯的良溶剂，环己烷是聚甲基丙烯酸甲酯的非溶剂，因此，环己烷能很好溶解纳米结构模具2，不能溶解聚合物基片3，从而使具有微米级的周期性光栅结构的聚合物基片3又具有纳米级的周期性光栅结构，使聚合物基片3具有微纳周期性光栅复合结构，获得微纳复合结构成品。

Claims (9)

1.一种基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，包括以下步骤：

1)根据所加工的微纳复合结构的要求，分离出微米结构及纳米结构，然后根据分离出的微米结构和纳米结构分别制备微米结构模具和纳米结构模具；

2)将步骤1)中制备的微米结构模具、纳米结构模具和聚合物基片叠合，采用热压成型方法对聚合物基片复制微纳复合结构；

3)先将容易脱模的微米结构模具与纳米结构模具分离，再选择溶剂将纳米结构模具溶解，得到具有微纳复合结构的聚合物基片。

2.根据权利要求1所述的基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，其特征在于：所述的微米结构模具的硬度≥300R，所述的微米结构模具的屈服强度≥200MPa；

所述的聚合物基片的玻璃态转化温度T_g在80℃～200℃；

所述的纳米结构模具的玻璃态转化温度≥T_g+20℃，所述的纳米结构模具的硬度为105R～200R，所述的纳米结构模具的屈服强度为45MPa～105MPa。

3.根据权利要求1所述的基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，其特征在于：步骤1)中，所述的微米结构模具的材料为金属或硅。

4.根据权利要求1或3所述的基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，其特征在于：步骤1)中，所述的微米结构模具的材料为镍。

5.根据权利要求1所述的基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，其特征在于：步骤1)中，所述的纳米结构模具的材料为聚丙烯或者硅橡胶。

6.根据权利要求1所述的基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，其特征在于：步骤1)中，所述的微米结构模具中的微米结构与纳米结构模具中的纳米结构的尺度比为100～1000。

7.根据权利要求1所述的基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，其特征在于：步骤2)中，所述的热压成型方法包括压印预处理、加热加压保压和冷却脱模步骤。

8.根据权利要求1所述的基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，其特征在于：步骤3)中，所述的溶剂是纳米结构模具的良溶剂，且是聚合物基片的非溶剂。

9.根据权利要求1或8所述的基于分离式双模具加工聚合物微纳复合结构的方法，其特征在于：所述的纳米结构模具的材料为聚丙烯；所述的聚合物基片的材料为聚甲基丙烯酸甲酯；所述的溶剂为环己烷。

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