CN102700123B - 聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置，其特征在于，该装置包括机架、放卷模块、预热模块、成形/保形模块、张紧力调节模块、收卷模块，所述的机架与预热模块、成形/保形模块、张紧力调节模块机械相连，所述的张紧力调节模块连接成形/保形模块；待加工薄膜基材经放卷模块放卷后，依次经过预热模块预热后，进入成形/保形模块热压后冷却成型，完成压印后在收卷模块收卷。与现有技术相比，本发明增强了保形、冷却过程中基材与模具的贴合程度，减小了薄膜表面微结构回弹，提高了成形精度，适合于大面积薄膜器件的大批量生产。

Description

聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置

技术领域

本发明涉及的是一种聚合物加工技术领域的装置，具体是一种聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置。

背景技术

随着新能源与节能技术、新媒体与信息技术的发展，带有表面微细结构聚合物薄膜类产品得到越来越广泛地应用。光学薄膜成为带有微结构聚合物薄膜的主要市场之一，包含增亮膜、匀光膜、反光膜、镭射膜、扩散膜及聚光膜等等。其中增亮膜的表面一般为20μm左右高度的微棱镜结构，将扩散的光线聚拢，提高正视的亮度，光线利用率达90％以上。又如能产生强烈反光效果的反光膜，把具有表面微结构的反射层和PVC、PU等高分子材料相结合，反射率高达80％以上。再如OLED柔性显示器的微透镜阵列和薄膜太阳能电池的光陷阱结构，能将其工作效率提高40％-90％，均属于聚合物薄膜类产品。

这类聚合物薄膜产品通常是在基材上加工微细特征来实现特定的光学功能效果。聚合物基材包括PC、PET、PMMA等聚合物薄膜。薄膜上的功能微结构形状多样，如透镜、棱镜、金字塔、六边钻石或自由形貌，其特征尺度一般在10-100μm，属于典型的介观尺度微细结构加工。表面微细功能结构的加工精度直接影响薄膜的工作效率，成为聚合物微细结构加工的关键。

聚合物表面微细结构的常用加工工艺分为两类，紫外固化压印工艺和热辅助压印工艺。紫外固化压印工艺指首先将可紫外固化的预聚物均匀地涂覆在基片上，模具在一定压力下迫使浆料成形以复制模具上的微细结构，最后通过紫外光照射固化聚合物，得到表面微细结构。中国专利公开号为CN101843859A(名称为一种卷对卷紫外纳米压印装置及方法)，将紫外光胶均匀地涂布于由传输装置传输的待压印材料上，经预固化装置流平和半固化之后，送至压印装置进行压印，最后通过强固化装置硬化成型，该装置包括传输装置、涂布装置、预固化装置、压印装置和强固化装置。此外，中国专利公开号为CN100575243C(名称为柔性基宏电子制造中微结构的大面积逆辊压印方法)，采用逆辊压印技术和相应的套印对准工艺、紫外固化工艺，在镀有ITO薄膜的柔性塑料薄膜上制作出大面积的宏电子器件所需的三维功能性微结构。上述紫外固化压印工艺所需压印力小，可有效降低薄膜基材的面内变形，减少了应力集中；使用冷紫外光源进行固化，减少了柔性材料的热变形。但是，采用这种工艺方法，浆料粘度控制要求高；成形过程中脱模困难；且紫外固化的聚合物易黄化，影响薄膜器件的出光率和使用寿命。

热辅助压印工艺是将聚合物基片加热到其玻璃化温度以上30℃～100℃(对于结晶型聚合物基片，温度要达到熔融温度以上)，然后将压印模具(带有微结构图形)压聚合物基片上，在压力作用下，使聚合物填充到模具的微结构形腔中，冷却定型后脱模，实现微细结构的转印。传统方法是平板式热压印，如中国专利200510019944.4中所述的纳米压印设备，其原理是将室温下的聚合物基片固定在热压印机的下板，压印模具固定在上板，上、下板上装有加热冷却装置以及定位装置。该工艺简单，但在加工大面积的聚合物薄膜产品时，需要载荷较大，且属于非连续式生产，加工效率低下。

为了改善平板热压印的缺点，中国专利公开号为CN102233634A(名称为微透镜阵列制备装置)，提出了一种卷对卷热压印装置包括张紧装置、压印滚轮和冷却设备的装置设备，其中压印滚轮设置有多个加热条和压印孔，基材与压印滚轮结合部分经加热条加热成软化状态后被吸入压印孔中。该装置能实现连续生产，且工艺简单。但是，采用压印脱模后进行冷却的这种工艺流程，易导致微细结构回弹，影响成形精度。实用新型专利号CN2878060Y，名称为压印定型同步装置，包括预热辊、版辊、与版辊配合工作的压印辊。当预热后的薄膜贴着冷版辊运转一定角度后，完成了同步压印、冷却成型、固化过程。该装置使材料与模板分离前已经固化，提高了成品率和加工效率。但是，当薄膜料加热到塑性变形温度以上时，能承受的张紧力大大降低，压印保形过程中薄膜不能充分与版辊接触，降低了微细结构成形的精度。检索国外专利发现，美国专利号US2011/0236631A1(名称为Glass texturingusing a porous textured roll under vacuum)，将薄膜压延与卷对卷辊压成形相结合，提高加工效率，减少耗能，但是线接触式的辊压方式导致成形精度低、脱模困难。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种增强了保形、冷却过程中基材与模具的贴合程度，减小了薄膜表面微结构回弹，提高了成形精度，适合于大面积薄膜器件的大批量生产的聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置，其特征在于，该装置包括机架、放卷模块、预热模块、成形/保形模块、张紧力调节模块、收卷模块，所述的机架与预热模块、成形/保形模块、张紧力调节模块机械相连，所述的张紧力调节模块连接成形/保形模块；待加工薄膜基材经放卷模块放卷后，依次经过预热模块预热，进入成形/保形模块热压后冷却成型，完成压印后在收卷模块收卷。

所述的放卷模块为放卷辊，所述的收卷模块为收卷辊。

所述的预热模块为辐射加热或热辊传热等加热装置，调节预热模块的功率，将待加工薄膜基材在成型前预热至其玻璃转变温度以下10-80℃。

所述的成形/保形模块包括模具带、保形带、成形辊、冷却辊、压力辊、传输辊a、传输辊b、传输辊c、传输辊d、主动辊a，所述的模具带套设在成形辊、传输辊a、传输辊b和传输辊c上，所述的保形带套设在压力辊、冷却辊、传输辊d和主动辊a上，使模具带和保形带与待加工薄膜基材的两侧紧密贴合，形成“三明治”结构，待加工薄膜基材经相对设置的成形辊和压力辊热压后，再经冷却辊冷却保形后，压印后的基材与模具带、保形带分离。

所述的“三明治”结构的幅宽边沿处设有对准测量系统，对模具带、基材及保形带的相对位置进行测量和校正。

所述的张紧力调节模块包括张紧辊a、张紧辊b，张紧辊a设置在模具带上，所述的张紧辊b设置在保形带上，所述的张紧辊a和张紧辊b分别控制模具带和保形带的张紧力，促使热压成形后的基材仍与成形/保形模块紧密贴合，直到微结构固化后脱模。

所述的成形/保形模块中成形辊与冷却辊通过连杆a连接，连杆a一端固定于成形辊上，另一端与冷却辊滑动连接，使成形辊与冷却辊之间相对位置可调，以控制基材受热压印时间和冷却保形时间。

所述的模具带一侧设有电感加热装置，或者成形辊上内设置电加热装置，使模具带受热局部温度达到其玻璃转变温度以上0-100℃。

所述的成形辊、冷却辊、压力辊、传输辊a、传输辊b、传输辊c、传输辊d、主动辊a均为圆辊，均包含主动辊和被动辊，主动辊一端连接电机，所述的压力辊为光辊，其余圆辊为橡胶辊。

所述的橡胶棍的橡胶厚度根据所选聚合物基材不同而不同。

使用本发明装置工作过程分成以下几步：

(1)将基材由放卷模块送出，经过放卷，预热，成形/保形，冷却，张紧力调节等装置之后，最后连接与收卷模块。启动主动辊的电机，使聚合物薄膜在卷对卷热辊压设备内慢速传输，进入张紧力、温度、位移等工艺参数调试阶段。

(2)张力调节。调节张紧辊装置，分别控制基材、成形/保形模块的模具带及保形带的张紧力。

(3)温度调节。开启预热模块和模具加热模块，调节功率等参数，利用控制模块的温度传感器测量反馈温度，调节基材和模具的温度。

(4)位移调节。调节成形/保形模块中模具带与保形带之间的距离，控制压印深度。调节冷却辊与成形辊之间的距离，控制“三明治”结构的热压印时间和冷却保形时间。

(5)卷对卷热辊压。设备工艺参数调试结束后，提高基材传输速度，开始卷对卷热辊压工艺，连续制备带有表面微结构薄膜器件。

(6)关闭设备。工艺结束后，关闭预热模块、模具加热装置、控制模块、成形/保形模块，取出设备中残留的聚合物薄膜。

本发明利用模具带和保形带紧贴基材两侧，形成“三明治”结构，依次经历热压印成形、保形、冷却三个阶段。成形过程中，基材薄膜微结构固化之后再分离“三明治，，结构，减少微结构脱模后的回弹，提高了微结构成形质量，加工效率高，适合于大批量制造工艺，与现有技术相比，具有明显的优点：1.模具带、基材及保形带组成的“三明治，，结构减少基材冷却过程中微结构回弹现象，提高成形精度；2.保形带增强了基材与模具的贴合程度，避免了受热软化的基材被张紧拉断的问题。3.模具带的局部加热方法简化了成形辊结构，减少能耗。

附图说明

图1是实施例1的组成连接示意图；

图2是实施例2的组成连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的装置进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示，聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置，该装置包括机架、放卷模块、预热模块、成形/保形模块、张紧力调节模块、收卷模块，所述的机架与预热模块、成形/保形模块、张紧力调节模块机械相连，所述的张紧力调节模块连接成形/保形模块；待加工薄膜基材经放卷模块放卷后，依次经过预热模块预热后，进入成形/保形模块热压后冷却成型，完成压印后在收卷模块收卷。

所述的放卷模块为放卷辊1，放卷辊1后依次设置主动辊b2、张紧辊c4和传输辊e3，所述的收卷模块为收卷辊23，收卷辊23前设有冷却辊b21和主动辊c22；

预热模块为紫外预热装置5；

所述的成形/保形模块包括模具带6、保形带16、成形辊10、冷却辊17(本实施例中采用风冷辊)、压力辊15、主动辊a11、传输辊b13、传输辊c14、传输辊d18、主动辊d20，其中：成形辊10与冷却辊17通过连杆a8连接，连杆a8一端固定于成形辊10上，另一端与冷却辊17滑动连接，使成形辊10与冷却辊17之间相对位置可调，连杆a8可绕传动辊10轴心旋转，以控制基材受热压印时间和冷却保形时间，冷却辊17与主动辊a11之间通过连杆b9连接，连杆b9一端固定在冷却辊17上，另一端滑动连接在主动辊a11上，连杆b9可绕冷却辊17轴心旋转，所述的模具带6套设在成形辊10、主动辊a11、传输辊b13和传输辊c14上，所述的保形带套6设在压力辊15、冷却辊17、传输辊d18和主动辊d20上，使模具带6和保形带16与待加工薄膜基材的两侧紧密贴合，形成“三明治”结构，待加工薄膜基材经相对设置的成形辊10和压力辊15热压后，再经冷却辊冷却保形后，固化后的基材再与模具带、保形带分离。所述的“三明治”结构的幅宽边沿处设有对准测量系统，对模具带、基材及保形带的相对位置进行测量和校正。

成形/保形模块上设有张紧力调节模块，张紧力调节模块包括张紧辊a12、张紧辊b19，张紧辊a12设置在模具带6上，所述的张紧辊b19设置在保形带16上，所述的张紧辊a12和张紧辊b19分别控制模具带6和保形带16的张紧力，促使热压成形后的基材仍与成形/保形模块紧密贴合，直到微结构固化后脱模。

成形/保形模块上还设有加热模块，加热模块为电感局部加热装置7，该电感局部加热装置7设置在模具带6前，对模具带6进行局部加热。

所述的主动辊b2、成形辊10、主动辊d20及主动辊c22一端均与电机等相连。

所述的冷却辊17与冷冻设备机械相连。

以厚度0.5mm的聚合物薄膜PC材料作为基材，本实施例的工作过程分成以下几步：

(1)将厚度0.5mm的PC薄膜由放卷辊1送出，经过主动辊b2、张紧辊c4及传输辊e3后，于紫外预热装置5下方穿过，再穿入模具带6与保形带16之间形成“三明治，，结构，过了冷却辊17之后与模具带6、保形带16分离，卷入冷却辊b21、主动辊22继续冷却至室温，最后连接于收卷辊23上。启动主动辊b2、成形辊10、主动辊d20及主动辊c22的电机，使PC薄膜在卷对卷热辊压设备内慢速传输，进入张紧力、温度、位移等工艺参数调试阶段。

(2)张力调节。上下调节张紧辊c4的位置，调节薄膜PC的张紧力。上下移动张紧辊a12及张紧辊b19，分别调节模具带6及保形带16的张紧力，使模具带6、PC及保形带16紧密贴合。

(3)温度调节。开启紫外预热装置5，调节紫外预热装置5的功率，使PC薄膜在成形前预热至90-140℃(PC的玻璃转变温度约为150℃)。然后开启电感局部加热装置7，调节电感局部加热装置7的电流、功率等参数，使模具带6受热局部温度达到180-250℃。开启与冷却辊17机械相连的冷冻设备，将热压成形后的“三明治”迅速冷却至30-50℃，将PC表面微结构“冷冻”，减少回弹时间，提高成形精度。

(4)位移调节。上下移动压力辊15，调整压力辊15和成形辊10之间的距离，

控制压印深度。按照压力辊15和成形辊10之间的距离，调节连杆a8和连杆b9的长度，控制冷却辊17与成形辊10之间、主动辊a11与冷却辊17之间的距离，从热辊压开始到冷却结束保证基材上下两侧与模具带、保形带紧密接触，防止基材上的微特征回弹。

(5)卷对卷热辊压。设备工艺参数调试结束后，调节主动辊b2、成形辊10、主动辊d20及主动辊c22的电机，提高PC薄膜的传输速度，开始卷对卷热辊压工艺，连续制备带有表面微结构PC薄膜。

(6)关闭设备。工艺结束后，关闭紫外预热装置5、电感具备加热装置7、风冷辊7的冷冻设备及主动辊b2、成形辊10、主动辊d20及主动辊c22的电机，移动压力辊15，调节连杆a8、连杆b9及张紧装置，取出PC薄膜。

本实施例的优点是：

由模具带、基材及保形带组成的“三明治”结构加强了保形过程中模具与基材的贴合，减少基材冷却过程中微结构回弹现象，提高成形精度。模具带的局部加热方法简化了成形辊结构，避免成形辊过热软化，减少了系统能耗。

实施例2：

如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，不设置电感局部加热装置；成形辊10内置电热丝，控制其表面温度在基材玻璃转变温度区间以上；冷却辊17(本实施例中为水冷辊)提供冷却作用。

所述的冷却辊17与冷冻设备相连。

以厚度0.2mm的聚合物薄膜PET材料作为基材，本实施例的工作过程分成以下几步：

(1)将厚度0.2mm的PET薄膜由放卷辊1送出，经过主动辊b2、张紧辊c4及传输辊e3后，于紫外预热装置5下方穿过，再穿入模具带与保形带之间形成“三明治，，结构，过了冷却辊17之后与模具带6、保形带16分离，卷入冷却辊b21、主动辊c22继续冷却至室温，最后连接于收卷辊23上。启动主动辊b2、成形辊10、主动辊d20及主动辊c22的电机，使PET薄膜在卷对卷热辊压设备内慢速传输，进入张紧力、温度、位移等工艺参数调试阶段。

(2)张力调节。上下调节张紧辊c4的位置，调节薄膜PET的张紧力。上下移动张紧辊a12及张紧辊b19，分别调节模具带6及保形带16的张紧力，使模具带6、PET及保形带16紧密贴合。

(3)温度调节。开启紫外预热装置5，调节紫外预热装置5的功率，使PET薄膜在成形前预热至40-70℃(PET的玻璃转变温度约为80℃)。然后开启传动辊10的内置电热丝，调节电流、功率等参数，使成形辊10的表面温度达到100-150℃。开启与冷却辊17机械相连的冷冻设备，将热压成形后的“三明治”迅速冷却至30-50℃，将PET表面微结构“冷冻”，减少回弹时间，提高成形精度。

(4)位移调节。上下移动压力辊15，调整压力辊15和成形辊10之间的距离，控制压印深度。按照压力辊15和成形辊10之间的距离，调节连杆a8和连杆b9的长度，控制冷却辊17与成形辊10之间、主动辊a11与冷却辊17之间的距离，从热辊压开始到冷却结束保证基材上下两侧与模具带、保形带紧密接触，防止基材上的微特征回弹。旋转连杆a8，带动冷却辊17，调节“三明治”结构(模具带、基材及保形带)与热成形辊10的接触面积，即控制基材热压印时间。旋转连杆b9，带动传动辊a11，调节“三明治”结构与冷却辊17的接触面积，即控制基材的冷却保形时间。

(5)卷对卷热辊压。设备工艺参数调试结束后，调节主动辊b2、成形辊10、主动辊d20及主动辊c22的电机，提高PET薄膜的传输速度，开始卷对卷热辊压工艺，连续制备带有表面微结构PET薄膜。

(6)关闭设备。工艺结束后，关闭紫外预热装置5、电感具备加热装置7、风冷辊7的冷冻设备及主动辊b2、成形辊10、主动辊d20及主动辊c22的电机，移动压力辊15，调节连杆a8、连杆b9及张紧装置，以便取出设备中残留的PET薄膜。

本实施例的优点是：

基于“三明治”结构，微细结构成形精度高。根据材料和微细特征的不同，能够方便地调节基材的热压印时间和冷却保形时间，系统柔性大。

Claims (7)

1.聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置，其特征在于，该装置包括机架、放卷模块、预热模块、成形/保形模块、张紧力调节模块、收卷模块，所述的机架与预热模块、成形/保形模块、张紧力调节模块机械相连，所述的张紧力调节模块连接成形/保形模块；待加工薄膜基材经放卷模块放卷后，依次经过预热模块预热，进入成形/保形模块热压后冷却成型，完成压印后在收卷模块收卷；

所述的成形/保形模块包括模具带、保形带、成形辊、冷却辊、压力辊、传输辊a、传输辊b、传输辊c、传输辊d、主动辊a，所述的模具带套设在成形辊、主动辊a、传输辊b和传输辊c上，所述的保形带套设在压力辊、冷却辊、传输辊d和主动辊d上，使模具带和保形带与待加工薄膜基材的两侧紧密贴合，形成“三明治”结构，待加工薄膜基材经相对设置的成形辊和压力辊热压后，再经冷却辊冷却保形后，固化后的基材再与模具带、保形带分离；

所述的成形/保形模块中成形辊与冷却辊通过连杆a连接，连杆a一端固定于成形辊上，另一端与冷却辊滑动连接，冷却辊可绕成形辊旋转并且其相对位置可调，以控制基材受热压印时间和冷却保形时间；

所述的模具带一侧设有电感加热装置，或者成形辊上内设置电加热装置，使模具带受热局部温度达到其玻璃转变温度区间以上0-100℃；

所述的聚合物薄膜为PC薄膜或PET薄膜。

2.根据权利要求1所述的聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置，其特征在于，所述的放卷模块为放卷辊，所述的收卷模块为收卷辊。

3.根据权利要求1所述的聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置，其特征在于，所述的预热模块为辐射加热或热辊传热加热装置，调节预热模块的功率，将待加工薄膜基材在成型前预热至其玻璃转变温度区间以下10-80℃。

4.根据权利要求1所述的聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置，其特征在于，所述的“三明治”结构的幅宽边沿处设有对准测量系统，对模具带、基材及保形带的相对位置进行测量和校正。

5.根据权利要求1所述的聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置，其特征在于，所述的张紧力调节模块包括张紧辊a、张紧辊b，张紧辊a设置在模具带上，所述的张紧辊b设置在保形带上，所述的张紧辊a和张紧辊b分别控制模具带和保形带的张紧力，促使热压成形后的基材仍与成形/保形模块紧密贴合，直到微结构固化后脱模。

6.根据权利要求1所述的聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置，其特征在于，所述的成形辊、冷却辊、压力辊、传输辊a、传输辊b、传输辊c、传输辊d、主动辊a均为圆辊，均包含主动辊和被动辊，主动辊一端连接电机，所述的压力辊为光辊，其余圆辊为橡胶辊。

7.根据权利要求6所述的聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形装置，其特征在于，所述的橡胶辊的橡胶厚度根据所选聚合物基材不同而不同。