CN103086319B - 一种用于干粘附的两级结构的电场诱导制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种用于干粘附的两级结构的电场诱导制备工艺，先进行诱导模板的制备，再进行基材的选择及处理，然后进行电场诱导UV光固化聚合物材料流变成型，最后进行UV光固化聚合物材料的固化及脱模，从而得到具有微-微或微-纳两级结构晶体结构，可以广泛地应用在输送带、机械手、微吸盘等方面。

Description

一种用于干粘附的两级结构的电场诱导制备工艺

技术领域

本发明属于微纳制造中的干粘附两级结构领域，具体涉及一种用于干粘附的两级结构的电场诱导制备工艺。

背景技术

美国的Kellar Autumn等人研究壁虎脚掌发现，其表面的两级结构具有极强的吸附能力，能够有效地增强物体表面的摩擦力，可广泛应用于带式输送机、机械手、微吸盘等方面。目前，常规的两级结构的制备方法主要包括：AFM（原子力）刻蚀法、利用氧化铝模板孔洞注入成形、等离子体刻蚀法、光刻技术以及阵列纳米碳管制备等方法。然而，传统制备方法在大面积制备及成形效率方面具有许多不足之处：（1）工艺复杂，例如AFM刻蚀法，需要采用AFM在石蜡表面逐点刻孔，然后注入液态材料，待冷却后去除石蜡；（2）设备精密，例如等离子刻蚀以及光刻技术，需要昂贵复杂的加工设备；（3）工艺参数需要精确控制，例如氧化铝模板孔洞成形，要求通过改变电压以及溶液酸度实现对氧化铝孔的孔径和孔隙的控制；（4）材料适应性差，例如阵列碳纳米管制备方法，需要利用CVD（化学气相沉积）的方法实现碳纳米管的制备，但是CVD工艺中的高温环境限制了部分聚合物等材料的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于干粘附的两级结构的电场诱导制备工艺，能够实现具有微-纳结构、或微-微结构的增强表面粘附的两级结构。

为了达到上述目的，本发明采取的技术路线为：

一种用于干粘附的两级结构的电场诱导制备工艺，包括以下步骤：

第一步，诱导模板的制备：利用光刻与刻蚀工艺在Si片表面制备所需要的两级结构中的第二级图形结构模板，然后采用翻模的方式，在FTO或ITO玻璃表面制备一层具有微纳结构的PDMS或氟树脂，得到透明的诱导模板；

第二步，基材的选择及处理：采用FTO或ITO玻璃作为基材，利用匀胶机在其表面旋涂一层厚度为微米级别的UV光固化聚合物材料；

第三步，电场诱导两级结构流变成型：施加压力将诱导模板压在PI（聚酰亚胺）膜上，令PI膜穿过UV光固化聚合物材料层与基材接触，施加外接直流电源50V~1000V，诱导模板的FTO或ITO层接电源的正极，基材的FTO或ITO玻璃接电源负极，调节电压，使UV光固化聚合物受到的电场力克服表面张力以及粘滞阻力流变，按照最不稳定波长生长出第一级微结构，保持稳定的电压5min-30min，直到UV光固化聚合物填充至诱导模板孔腔中，得到第二级微纳结构；

第四步，聚合物材料的固化及脱模：在保持电压不变的情况下利用紫外光从顶部透过诱导模板或从底部透过FTO或ITO玻璃照射已完成复型UV光固化聚合物材料，固化电诱导复型所得的两级结构，脱去诱导模板，从而得到微-微或微-纳的两级结构。

本发明采用一种电场诱导两级结构的制备工艺，工艺路线简单，不需要昂贵的加工设备及复杂的工艺控制，大大降低制造成本，提高了加工效率，其制备的微-微或微-纳两级结构，可广泛应用于带式输送机、机械手、微吸盘等方面。

附图说明：

图1为本发明诱导模板的结构示意图。

图2为本发明在基材上制备一层UV光固化聚合物材料的结构示意图。

图3为本发明采用外界压力将诱导模板通过PI膜压在基材上的示意图。

图4为本发明电场诱导形成第一级结构流变机理的示意图。

图5为本发明UV光固化聚合物在模具空腔内填充形成第二级结构的示意图。

图6为UV光照固化聚合物材料的示意图。

图7为本发明固化后脱去模板得到的两级结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

一种用于干粘附的两级结构的电场诱导制备工艺，包括以下步骤：

第一步，诱导模板的制备：利用光刻工艺在Si片表面制备两级结构中第二级结构的图形结构模板，采用翻模的方式，在FTO或ITO玻璃1表面制备一层具有微纳结构的PDMS或氟树脂2，得到透明的诱导模板，如图1所示；

第二步，基材的选择及处理：采用FTO或ITO玻璃4作为基材，利用匀胶机在其表面旋涂一层UV光固化聚合物材料3，UV光固化聚合物材料的厚度均为微米级，如图2所示，

第三步，电场诱导聚合物流变成型：以1MPa压力P将诱导模板压在PI（聚酰亚胺）膜5上，令PI膜5穿过UV光固化聚合物材料3与基材接触，施加外接直流电源6，直流电源6为50V~1000V，诱导模板的FTO或ITO玻璃1接电源的正极，基材的FTO或ITO玻璃4接电源负极，调节电压，使UV光固化材料3所受的电场力克服表面张力以及粘滞阻力流变，按照最不稳定波长生长出第一级微结构，保持稳定的电压5min-30min，直到UV光固化聚合物填充至诱导模板孔腔中，得到第二级微纳结构，如图3、图4、图5所示，

第四步，聚合物材料的固化及脱模：在保持电压不变的情况下利用紫外光7从顶部通过诱导模板照射已完成复型的液态UV光固化聚合物材料，如图6所示，固化电诱导复型得到的两级结构，脱去诱导模板，从而得到预期的微-微或微-纳两级结构，如图7所示。

上述方法可以实现的两级结构尺寸为：诱导模板凸起的部分尺寸w1为纳米级至微米级，模具凹陷部分尺寸w2为纳米级至微米级，凹陷深度尺寸h1为纳米级至微米级，得到的两级结构中第一级结构w5为微米级，h3为微米级，第二级结构w3为纳米级至微米级，w4为纳米级至微米级，h2为纳米级至微米级。

施加一定的压力P，使诱导模板通过PI膜接触基材，固化之前的UV光固化聚合物材料具有流动性，施加合适的电场，UV光固化聚合物在电场作用力开始流变，在聚合物接触诱导模板之前，UV光固化聚合物材料按照最不稳定波长生长，得到第一级微结构，如图4所示，当聚合物接触到诱导模板之后，UV光固化聚合物材料在电毛细力作用下向诱导模板孔腔内填充，得到第二级微纳结构，如图5所示。维持一段时间后，待液态UV光固化聚合物材料完成填充复型，对其采用紫外光从顶部或底部照射使其固化，最后脱去模板，即可得到微-微或微-纳的两级结构。用这种方法制备的两级结构，克服了常规工艺的设备及材料限制，可得到大面积的两级结构。

本发明克服了传统制备方法中复杂的工艺过程及昂贵加工设备的限制，可实现UV光固化聚合物材料的一次性成型得到微-微或微-纳的两级结构。

Claims (1)

1.一种用于干粘附的两级结构的电场诱导制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，诱导模板的制备：利用光刻与刻蚀工艺在Si片表面制备所需要的两级结构中的第二级图形结构模板，然后采用翻模的方式，在FTO或ITO玻璃表面制备一层具有微纳结构的PDMS或氟树脂，得到透明的诱导模板；

第二步，基材的选择及处理：采用FTO或ITO玻璃作为基材，利用匀胶机在其表面旋涂一层厚度为微米级别的UV光固化聚合物材料；

第三步，电场诱导两级结构流变成型：施加压力将诱导模板压在PI（聚酰亚胺）膜上，令PI膜穿过UV光固化聚合物材料层与基材接触，施加外接直流电源50V~1000V，诱导模板的FTO或ITO层接电源的正极，基材的FTO或ITO玻璃接电源负极，调节电压，使UV光固化聚合物受到的电场力克服表面张力以及粘滞阻力流变，按照最不稳定波长生长出第一级微结构，保持稳定的电压5min-30min，直到UV光固化聚合物填充至诱导模板孔腔中，得到第二级微纳结构；

第四步，聚合物材料的固化及脱模：在保持电压不变的情况下利用紫外光从顶部透过诱导模板或从底部透过FTO或ITO玻璃照射已完成复型UV光固化聚合物材料，固化电诱导复型所得的两级结构，脱去诱导模板，从而得到微-微或微-纳的两级结构。