CN102806660A - 基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置及方法，包括：放卷，预热，热辊压，保形，冷却及收卷六个阶段。所述的放卷阶段，是将聚合物薄膜从卷材中连续抽出，除去薄膜表面静电。聚合物薄膜经过所述预热阶段后，加热至其玻璃转变温度以下，为所述的热辊压阶段准备。通过对版辊进行局部加热处理，仅压印表面升温至玻璃转变温度以上，对预热后的薄膜辊压成形。所述的保形阶段使辊压成形后的薄膜仍与版辊表面紧密贴合，使其充分变形。将冷却与保形同时作用于成形后的薄膜，使表面微细结构迅速固化，减少回弹。与现有技术相比，本发明具有减少回弹变形，提高微结构成形精度，脱模容易，加工效率高等优点。

Description

基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置及方法

技术领域

本发明涉及采用卷对卷热辊压作为具有表面微细功能结构的聚合物薄膜器件的加工方法。

背景技术

目前，具有表面微细功能结构的聚合物薄膜器件由于材料成本低、厚度公差小、表面光洁等优势，受到越来越广泛的关注。薄膜器件主要包括增亮膜、扩散膜(匀光膜)、反光膜、镭射膜及增透膜等。除了应用于液晶显示器、柔性显示器及电子纸行业的光学膜，聚合物薄膜器件的应用范围正在不断拓展，如太阳能领域(光陷阱薄膜等)、趋向于电路集成化和平面化发展的电子元器件领域、汽车领域(防紫外线隔热贴膜等)等。聚合物薄膜表面微细结构形貌根据其功能不同而不同。如一般棱镜片光学膜的表面为V槽结构，特征尺寸在10-100μm，基材包括PC、PET、PMMA等。该类聚合物薄膜表面微细结构的成形精度直接影响光学膜性能和工作效率。随着对聚合物薄膜器件需求量的逐渐，高效高精度的工艺方法成为薄膜表面微结构制造加工的关键。

聚合物薄膜表面微细结构的加工工艺包括紫外固化压印工艺和热辅助压印工艺。其中，紫外固化压印工艺指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。另外，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，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，将紫外光胶均匀的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。美国3M公司S.L.D.Stegall等人[S.L.D.Stegall，J.Anim-Addo，M.Gardiner and E.Hao，Organic Light Emitting Materials and Devices XIII，2009，pp：74150S-8]在OLED高折射区域利用卷对卷紫外涂布工艺制备了纳米微细增透结构，使OLED出光率提高了二倍。利用紫外固化压印工艺制备聚合物薄膜，使用冷紫外光源进行固化，减少了柔性基材的热变形。然而，紫外固化的聚合物薄膜器件易黄化，浆料粘度控制难，脱模困难，成形精度不高。

传统热辅助压印工艺是平板式热压印，首先对固定于下板的聚合物基片进行加热，使其达到压印所需要的温度。模具也要加热到一定温度，以保证聚合物能够充模完全。然后上基板带动模具对聚合物基片进行加压，使聚合物填充到压印模具中，保压冷却一段时间后脱模。如中国专利200510019944.4，名称为纳米压印机，其原理都是将室温下的聚合物基片固定在热压印机的下板上，下板上装有加热冷却装置以及定位装置。压印模具固定在上板上，其上也安装有加热冷却装置。该工艺简单，成型精度较高，但问题在于加工效率低，且大面积聚合物薄膜器件时需要载荷较大。

卷对卷热辊压工艺是新型聚合物薄膜的热辅助压印工艺，改善了平板式热压印，成形载荷小，能实现连续生产，适合于大面积薄膜器件的批量化生产。中国专利公开号为CN102233634A，名称为微透镜阵列制备装置，发明了卷对卷热压印装置，包括张紧装置、压印辊轮和冷却设备的装置设备，其中压印辊轮设置有多个加热条和压印孔，基材与压印辊轮结合部分经加热条加热成软化状态后被吸入压印孔中。该工艺能实现连续生产，其缺点在于微细结构易回弹，影响成形精度。检索国外专利发现，美国专利号US2011/0236631A1(名称为Glass texturingusing a poroustextured 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。韩国D.Yun等人【D.Yun，Y.Son，J.Kyung，H.Park et al.Review of Scientific Instruments，2012，83(1).doi：10.1063/1.3675574】利用内置电感线圈加热成形辊，利用电镀工艺制备厚度为0.1mm的镍模具，在PEN薄膜上热辊压特征尺寸为20-300μm肋条微结构。新加波L.P.Yeo等人【见L.P.Yeo，S.H.Ng，Z.Wang et al.MicroelectronicEngineering，2009，86(4-6)：933-936】采用陶瓷加热装置将厚度1.5mm的PMMA预热至120℃，然后用表面温度达140℃的模具辊压印PMMA，制得特征尺寸为10-200μm的肋条微结构，预热基材提高了基材的可成形性能。上述两种装置都缺少急冷和保形模块，微结构回弹较大，成形精度低。

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成形精度高，脱模容易，加工效率高的基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置，其特征在于，包括依次设置的放卷装置、预热装置、热辊压装置、保形装置、冷却装置、收卷装置，所述的放卷装置包括放卷辊、除静电刷及张力控制模块；所述的预热装置包括传热设备和温度控制设备；所述的热辊压装置包括至少一版辊，压辊和局部加热设备，版辊上包覆具有微细结构图案的模具，所述的压辊设置在版辊上方，配合版辊将该微细结构图案压印到待压印薄膜上，所述的局部加热设备对版辊局部表面进行加热；所述的保形装置包括至少一保形辊；所述的冷却装置包括至少一冷却辊、风冷喷嘴和冷冻机，所述的冷冻机分别连接冷却辊和风冷喷嘴，风冷喷嘴位于保形辊外侧，冷却辊位于版辊下方，冷却辊的冷却方式包括风冷、水冷、油冷等方法。

所述的张力控制模块包括张紧辊、气缸、张力感应装置和控制系统，所述的气缸连接张紧辊，张紧辊上设有张力感应装置，所述的控制系统连接张力感应装置和气缸，张力感应装置感应待压印薄膜传输的张力大于设定值时，控制系统驱动气缸带动张紧辊移动，放松待压印薄膜传输的张力，反之，控制系统驱动气缸带动张紧辊反向移动。

所述的传热设备包括电加热器或紫外加热器，该传热设备使待压印的聚合物薄膜预热至其玻璃转变温度以下，所述的温度控制设备包括温度传感器和连接温度传感器的温度控制器，该温度控制设备检测薄膜温度并调节参数将薄膜温度控制在设定范围内。

所述的压辊两端连接电控缸，通过电控缸微调压辊的位移，控制待压印薄膜的辊压深度；所述的局部加热设备的加热方式包括辐射加热、电感加热或电阻加热。

所述的局部加热设备包括设置在版辊内部的电阻丝，以及与该电阻丝连接的电刷对，电刷对可绕版辊的轴线旋转以调节加热区域。

所述的保型辊设有多个，设置在版辊外圈，并位于压辊后，各保型辊连接联动装置，通过联动装置控制各保型辊与版辊间的距离；所述的收卷装置包括收卷辊。

所述的装置还包括定位系统，该定位系统设有薄膜边缘传感器和自动纠偏装置，自动纠偏装置连接在从放卷装置到收卷装置中的各个辊的辊轴上，当薄膜边缘传感器感应到传输过程中发生了偏移，自动纠偏装置便控制较近辊轴的轴向位移和水平角度位移。

一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置进行加工的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)放卷

将待压印薄膜从放卷辊中连续抽出，并通过除静电刷除去薄膜表面静电，通过张力控制模块控制薄膜传输过程中的张紧力；

(2)预热

通过传热设备预热待压印薄膜，并通过温度控制设备控制待压印薄膜的温度在其玻璃转变温度以下；

(3)热辊压

通过局部加热设备对版辊进行局部加热，压辊配合版辊将版辊上的微细结构图案压印到待压印薄膜上；

(4)保形

保形辊对经热辊压后的薄膜施加压力，使其紧贴与版辊表面；

(5)冷却

冷却风嘴对保型辊进行风冷，并在薄膜离开保型辊后在冷却辊上继续冷却，使热压后的薄膜冷却至玻璃转变温度以下，将表面微细结构图案在脱模之间冻结，减少回弹，提高成形精度；

(6)收卷

将压印有表面微细结构图案的薄膜通过收卷辊收卷。

所述的表面微细结构图案的尺寸在1-500μm之间。

所述的待压印薄膜的厚度为10μm-5mm之间，其材料为聚碳酸酯(PC，Polycarbonate)、聚氯乙烯(PVC，PolyvinylChloride)、聚酯(PET，Polyester)、丙烯酸(PMMA，Polymethylmethacrylate)等材料。

本发明采用局部加热方法，仅对模具的压印表面进行加热，促使聚合物薄膜在热辊压成形后、脱模前迅速冷却，冷却的同时利用保形装置促使聚合物薄膜继续紧贴与模具表面，待表面微结构冷却固化后才从模具剥离；该发明减少聚合物热辊压工艺回弹变形，成形精度高，脱模容易，加工效率高。与现有技术相比，本发明具有下列优点：

1.通过局部加热设备和冷却装置，聚合物薄膜在热辊压后被迅速冷却，微细结构被“冷冻”，减少了回弹变形，提高了加工效率。

2.保形装置促使聚合物薄膜冷却过程中仍与模具贴合，待微结构固化后才与模具剥离，热辊压成形精度得到提高。

3.版辊的局部加热方法，相比整个版辊加热升温，能耗少。

附图说明

图1是本发明实施例1的基于卷对卷热辊压的聚合物薄膜表面微细结构加工方法的结构示意图；

图2是本发明实施例1的版辊结构示意图；

图3是本发明实施例1的版辊表面温度梯度示意图；

图4是本发明实施例2的基于卷对卷热辊压的聚合物薄膜表面微细结构加工方法的结构示意图；

图5是本发明实施例2的定位系统。

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，一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置，包括依次设置的放卷装置、预热装置、热辊压装置、保形装置、冷却装置、收卷装置，所述的放卷装置包括放卷辊1，张紧辊4，气缸5，张力感应装置6，主动辊a2、主动辊b7，被动辊a3和控制系统；所述的气缸5连接张紧辊4，张紧辊4上设有张力感应装置6，所述的控制系统连接张力感应装置6和气缸5，张力感应装置6感应待压印薄膜传输的张力大于设定值时，控制系统驱动气缸5带动张紧辊4移动，放松待压印薄膜传输的张力，反之，控制系统驱动气缸5带动张紧辊4反向移动。

所述的预热装置包括紫外预热设备8、温度传感器22及温度控制器23；紫外预热设备8使待压印的薄膜30预热至其玻璃转变温度以下，温度传感器22检测薄膜温度并调节温度控制器23参数将薄膜温度控制在设定范围内。

所述的热辊压装置包括版辊17，电刷对18及压辊9。所述版辊17的直径大于250mm，所述压辊9设置在版辊17上方，压辊9两端与电控缸相连，能够上下微调，精度为±5μm，通过微调压辊9的位移控制薄膜30的辊压深度。版辊17结构参考图2，版辊17外表面包覆着带有微细结构的镍模25，版辊17内部布置着一圈电阻丝26，电刷对18分别固定于版辊17的两端，且与部分电阻丝26接触相连，当接通电刷对18的正负极，与之相接的电阻丝26被导通加热。电刷对18可绕版辊17轴线旋转，便于选择版辊17和镍模25的加热区域。当电刷对18的角度调整合适后，将其固定，在辊压工艺过程中便不随版辊17的转动而转动。参考图3，为了使镍膜25的压印表面27温度达到玻璃转变温度以上0-50℃，将电刷对18置于版辊17的第二象限区域(如图3所示)。所述的压印表面27取决于压辊9相对于版辊17的位置，不随版辊17的转动而转动。

所述的保形装置包括保形辊a11、保形辊b12、保形辊c13、保形辊d14、保形辊e15及位移联动设备24。保形辊a11、保形辊b12、保形辊c13、保形辊d14、保形辊e15布置于所述压辊9后、版辊17的外圈，以压辊9和版辊17的表面间距为标准，通过位移联动设备24联动控制保形辊a11、保形辊b12、保形辊c13、保形辊d14、保形辊e15相对于版辊17的位置，使热压印后的薄膜30中仍与渐冷的镍膜25贴合，起到“保形”效果，提高成形精度。

冷却装置包括风冷喷嘴10、水冷辊16及冷冻机。所述冷冻机分别与风冷喷嘴10和水冷辊16相连。所述的风冷喷嘴10位于保形辊a11、保形辊b12、保形辊c13、保形辊d14、保形辊e15的外侧，通过调节冷冻机参数，使保形辊a11、保形辊b12、保形辊c13、保形辊d14、保形辊e15表面温度较低，进一步加速热压后薄膜30的冷却。所述的水冷辊16位于版辊17的下方，冷却固化后的薄膜30从镍模25上剥离后卷入水冷辊16表面。调节水冷辊16的冷冻机功率，使具有表面微结构的薄膜30经过水冷辊16后冷却至室温，为后续收卷做准备。

收卷装置包括收卷辊21，主动辊c19，被动辊b20。收卷辊21以合适线速度朝聚合物薄膜30缠绕方向转动。

使用上述装置进行基于卷对卷热辊压的聚合物薄膜表面微细结构加工方法，包括：放卷，预热，热辊压，保形，冷却及收卷六个阶段。

其中放卷阶段：当压印开启后，放卷辊1以合适线速度朝待压印薄膜30缠绕的反方向转动，从而使待压印薄膜30沿规定路线传输。当张力感应装置6测得待压印薄膜30张紧力超过预定值，控制系统便调节气缸5参数，使张紧辊4向上微调，以放松薄膜30，反之使张紧辊4向下微调，张紧待压印薄膜30。

预热阶段：紫外预热设备6对薄膜30的待压印表面进行加热，当温度传感器22测得预热后薄膜30的温度超过特定温度范围时，温度控制设备23减小紫外预热设备6的功率，反之，增加紫外预热设备6的功率。

热辊压阶段：通过电阻丝26和电刷对18对版辊17进行局部加热，压辊9配合版辊17将版辊上的微细结构图案压印到待压印薄膜30上。

保形阶段：以压辊9和版辊17的表面间距为标准，通过位移联动设备24联动控制各个保形辊相对于版辊17的位置，使热压印后的薄膜30中仍与渐冷的镍膜25贴合，起到“保形”效果，提高成形精度。

冷却阶段：冷却风嘴10对各保型辊进行风冷，并在薄膜30离开保型辊后在冷却辊16上继续冷却，使热压后的薄膜冷却至玻璃转变温度以下，将表面微细结构图案在脱模之间冻结，减少回弹，提高成形精度；

收卷阶段：将压印有表面微细结构图案的薄膜通过收卷辊21收卷。

上述表面微细结构图案的尺寸为1μm，待压印薄膜30的厚度为10μm，其材料为聚碳酸酯(PC，Polycarbonate)。

本实施例的优点是：

聚合物薄膜在热辊压成形之后迅速冷却，微细结构被“冷冻”，减少回弹，提高加工效率。保形装置使聚合物薄膜冷却过程中仍与模具贴合，直至固化才脱模，提高了成形精度。对模具进行局部加热处理也减少了能耗。

实施例2

如图4所示，在实施例1的基础上，版辊17改为实心辊，取消电刷对和电阻丝，且版辊7外侧靠近压印表面置有红外辐射加热装置18’，其冷却辊16采用油冷方式进行冷却。此外，安装有定位系统，如图5所示，所述的定位系统设有自动纠偏装置28和红外感应器29，自动纠偏装置28连接在传输装置的辊轴上(以主动轴2为例)，当红外感应器29测到到薄膜30传输过程中发生了偏移，自动纠偏装置28便控制辊轴的轴向位移和水平角度位移。

上述表面微细结构图案的尺寸为500μm，待压印薄膜30的厚度为5mm，其材料为聚氯乙烯(PVC，PolyvinylChloride)。

本实施例的优点是：

采用外置辐射加热装置，简化了版辊的结构，提高版辊的刚度，定位系统减少了系统误差，提高薄膜微结构成形精度。

Claims (10)

1.一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置，其特征在于，包括依次设置的放卷装置、预热装置、热辊压装置、保形装置、冷却装置、收卷装置，所述的放卷装置包括放卷辊、除静电刷及张力控制模块；所述的预热装置包括传热设备和温度控制设备；所述的热辊压装置包括至少一版辊，压辊和局部加热设备，版辊上包覆具有微细结构图案的模具，所述的压辊设置在版辊上方，配合版辊将该微细结构图案压印到待压印薄膜上，所述的局部加热设备对版辊局部表面进行加热；所述的保形装置包括至少一保形辊；所述的冷却装置包括至少一冷却辊、风冷喷嘴和冷冻机，所述的冷冻机分别连接冷却辊和风冷喷嘴，风冷喷嘴位于保形辊外侧，冷却辊位于版辊下方。

2.根据权利要求1所述的一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置，其特征在于，所述的张力控制模块包括张紧辊、气缸、张力感应装置和控制系统，所述的气缸连接张紧辊，张紧辊上设有张力感应装置，所述的控制系统连接张力感应装置和气缸，张力感应装置感应待压印薄膜传输的张力大于设定值时，控制系统驱动气缸带动张紧辊移动，放松待压印薄膜传输的张力，反之，控制系统驱动气缸带动张紧辊反向移动。

3.根据权利要求1所述的一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置，其特征在于，所述的传热设备包括电加热器或紫外加热器，该传热设备使待压印的聚合物薄膜预热至其玻璃转变温度以下，所述的温度控制设备包括温度传感器和连接温度传感器的温度控制器，该温度控制设备检测薄膜温度并调节参数将薄膜温度控制在设定范围内。

4.根据权利要求1所述的一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置，其特征在于，所述的压辊两端连接电控缸，通过电控缸微调压辊的位移，控制待压印薄膜的辊压深度；所述的局部加热设备的加热方式包括辐射加热、电感加热或电阻加热。

5.根据权利要求4所述的一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置，其特征在于，所述的局部加热设备包括设置在版辊内部的电阻丝，以及与该电阻丝连接的电刷对，电刷对可绕版辊的轴线旋转以调节加热区域。

6.根据权利要求1所述的一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置，其特征在于，所述的保型辊设有多个，设置在版辊外圈，并位于压辊后，各保型辊连接联动装置，通过联动装置控制各保型辊与版辊间的距离；所述的收卷装置包括收卷辊。

7.根据权利要求1所述的一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置，其特征在于，所述的装置还包括定位系统，该定位系统设有薄膜边缘传感器和自动纠偏装置，自动纠偏装置连接在从放卷装置到收卷装置中的各个辊的辊轴上，当薄膜边缘传感器感应到传输过程中发生了偏移，自动纠偏装置便控制较近辊轴的轴向位移和水平角度位移。

8.一种使用权利要求1所述的基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置进行加工的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)放卷

将待压印薄膜从放卷辊中连续抽出，并通过除静电刷除去薄膜表面静电，通过张力控制模块控制薄膜传输过程中的张紧力；

(2)预热

通过传热设备预热待压印薄膜，并通过温度控制设备控制待压印薄膜的温度在其玻璃转变温度以下；

(3)热辊压

通过局部加热设备对版辊进行局部加热，压辊配合版辊将版辊上的微细结构图案压印到待压印薄膜上；

(4)保形

保形辊对经热辊压后的薄膜施加压力，使其紧贴与版辊表面；

(5)冷却

冷却风嘴对保型辊进行风冷，并在薄膜离开保型辊后在冷却辊上继续冷却，使热压后的薄膜冷却至玻璃转变温度以下，将表面微细结构图案在脱模之间冻结，减少回弹，提高成形精度；

(6)收卷

将压印有表面微细结构图案的薄膜通过收卷辊收卷。

9.根据权利要求8所述的基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工方法，其特征在于，所述的表面微细结构图案的尺寸在1-500μm之间。

10.根据权利要求8所述的基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工方法，其特征在于，所述的待压印薄膜的厚度为10μm-5mm之间，其材料为聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酯或丙烯酸。

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