CN103192532B - 一种制造水溶性pva薄膜模具的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造水溶性PVA薄膜模具的装置及其方法，该装置包括：放卷装置、PET薄膜衬底、电晕处理装置、涂布装置、膜厚控制装置、预干燥固化装置、热滚压印成型装置、后干燥固化装置、收卷装置、导向装置。基于该装置实现模具制造的方法：（1）预处理；（2）电晕处理；（3）PVA水溶胶涂布；（4）膜厚测量和控制；（5）预干燥固化；（6）压印成型；（7）后干燥固化；（8）收卷。本发明实现了水溶性PVA薄膜模具高效、低成本规模化连续生产，为大面积复杂三维微纳结构的批量化制造提供了一种工业级解决方案。

Description

一种制造水溶性PVA薄膜模具的装置及其方法

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，尤其涉及一种用于制造水溶性PVA薄膜模具的装置及其方法。

背景技术

薄膜型模具有着非常广泛的用途，它既可作为纳米压印的软模具，也可以直接作为掩模实现微纳结构的制造，还可以用作各种功能性薄膜（如抗反射膜、防眩光膜、增量膜等）。尤其是水溶性聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）薄膜模具用于紫外纳米压印，解决了大面积脱模的难题（PVA薄膜模具为一次性模具，在脱模过程中如果部分残留在固化的UV压印胶中，采用40-80℃热水即可以去除），这为大面积纳米图形化、复杂三维微纳米结构制造以及非平整（甚至曲面衬底）和易碎衬底的图形化提供了一种理想的解决方案。因此，结合水溶性PVA薄膜模具和紫外纳米压印的图形化方法为LED图形化、平板显示、太阳能电池板、光学器件、三维微型电池、MEMS器件、抗反射层结构、自清洁表面等的规模化生产提供了一种具有工业化应用前景的使能技术。但是，采用现有的各种微纳制造技术难以实现宽幅水溶性PVA薄膜模具的高效、低成本、批量化生产，严重制约了该技术的广泛应用。因此，迫切需要开发新的装置和方法，实现水溶性PVA薄膜型模具高效、低成本规模化生产，为大面积微纳结构的低成本、规模化制造提供关键技术支持。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种用于高效、低成本规模化生产宽幅水溶性PVA薄膜模具的装置及其方法，该方法充分利用热滚型纳米压印、干燥固化成膜和溶液流延成型的优点。首先将配置好含水量80-85%的PVA水溶胶均匀一致性的涂布在PET薄膜衬底上；随后，经过预干燥固化，使含PVA水溶胶涂层的水量降低到50-55%；然后，通过热滚压印装置将压印辊上的微纳米特征结构复制到PVA水溶胶，干燥固化成型后得到PVA薄膜模具，PVA胶膜的含水量控制在20-25%；最后，通过后干燥固化，得到含水量15-20%的PVA薄膜模具，并将制造的PVA薄膜模具收取成卷。通过该方法，实现水溶性PVA薄膜模具高效、低成本、批量化生产。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种制造水溶性PVA薄膜模具的装置，它包括：放卷装置、PET薄膜衬底、电晕处理装置、涂布装置、膜厚测控装置、预干燥固化装置、热滚压印成型装置、后干燥固化装置、收卷装置、导向装置，PET薄膜衬底从放卷装置送出经导向装置送入收卷装置；在放卷装置与收卷装置间沿导向装置运行方向依次设置电晕处理装置、涂布装置、膜厚测控装置、预干燥固化装置、热滚压印成型装置、后干燥固化装置、水溶性PVA薄膜模具，涂布装置将含水量80-85%的PVA水溶胶均匀一致性的涂布在PET薄膜衬底上；预干燥固化装置将PVA水溶胶涂层的水量降低到50-55%；热滚压印成型装置得到水溶性PVA薄膜模具，并将水溶性PVA薄膜模具的含水量控制在20-25%；后干燥固化装置对水溶性PVA薄膜模具进一步干燥固化，得到含水量15-20%的水溶性PVA薄膜模具，完成制造。

所述涂布装置包括：网纹涂布辊、多头滴胶机、刮刀、支撑辊；网纹涂布辊和支撑辊上下布置，PET薄膜衬底从两者间通过；PVA水溶胶置于多头滴胶机内；在网纹涂布辊一侧设有刮刀，通过调整网纹涂布辊的网线数和网孔容积确定涂布的厚度。

所述热滚压印成型装置包括：压印辊、脱模辊、干燥固化装置、支撑辊；所述压印辊位于PET薄膜衬底上方，脱模辊、干燥固化装置、支撑辊位于PET薄膜衬底下方；所述压印辊表面具有凸凹的微纳米特征结构的图案，压印辊内部设有加热装置，所述支撑辊为柔性辊；所述预干燥固化装置、后干燥固化装置均为红外/热风式，干燥固化装置采用热风式。

所述水溶性PVA薄膜模具包括图形层和PET薄膜衬底，其中图形层为PVA水溶胶薄膜，其中图形层包含凸、凹微纳结构特征，PET薄膜衬底位于图形层之上；图形层的厚度10-100微米，支撑层厚度是100-500微米。

所述压印辊施加的压力是0.1MPa-30MPa，所述压印辊加热的温度是40℃-90℃；所述预干燥固化装置、后干燥固化装置、干燥固化装置的温度50℃-70℃，热风风速1m/s-2m/s。

一种采用制造水溶性PVA薄膜模具的装置的制作方法，包括如下步骤：

步骤（1）：预处理；

步骤（2）：电晕处理；

步骤（3）：含水量80-85%的PVA水溶胶的涂布；

步骤（4）：膜厚测量和控制；

步骤（5）：预干燥固化，使含PVA水溶胶涂层的水量降低到50-55%；

步骤（6）：压印成型，PVA胶膜的含水量控制在20-25%；

步骤（7）：后干燥固化，得到含水量15-20%的水溶性PVA薄膜模具；

步骤（8）：收卷。

所述步骤（3）的工作过程为：

（3-1）首先，利用涂布装置的多头滴胶机将含水量80-85%的PVA水溶胶均匀涂布到网纹辊的网孔中，并使用刮刀将网纹涂布辊表面多余的PVA水溶胶刮去；

（3-2）随后，网纹涂布辊表面网纹内的PVA水溶胶和反向运动的PET薄膜衬底接触，PVA水溶胶便转移到PET薄膜衬底的上表面，实现将网纹涂布辊网孔中的PVA水溶胶均匀涂布到PET薄膜衬底上。

所述步骤（5）的工作过程为：利用红外/热风预干燥固化装置蒸发PVA水溶胶薄膜涂层中的溶剂，使PVA水溶胶薄膜的含水量控制在50-55%。

所述步骤（6）的工作过程为：

（6-1）首先，通过压印辊和支撑辊的共同作用，在线接触压印力的作用下将PET薄膜衬底之上涂布的PVA水溶胶挤压填充到压印辊凹形特征中，实现PVA水溶胶对压印辊凹形特征的完全填充和均匀铺展；

（6-2）随后，通过加热压印辊和干燥固化装置的共同作用，蒸发PVA水溶胶薄膜中的溶剂，干燥固化PVA胶膜，使PVA水溶胶的含水量控制在20-25%，PVA水溶胶固化成型；

（6-3）最后，利用脱模辊将压印固化成型的PVA胶膜与压印辊分离，完成脱模。

所述步骤（7）的工作过程为：利用后干燥固化装置蒸发PVA模具薄膜中的溶剂，PVA水溶胶薄膜的含水量控制在15-20%，得到水溶性PVA薄膜模具成品。

本发明的显著优势在于：本发明充分利用了热滚型纳米压印、干燥固化成膜和溶液流延成型的优点，实现了水溶性PVA薄膜模具的高效、低成本、批量化连续制造，为大面积微纳米结构的制造，或者非平整衬底大面积纳米图形化，或者曲面的大面积纳米图形化，或者复杂三维微纳结构制造，或者高深宽比大面积微纳结构制造提供了一种工业级的应用解决方案。

结合软紫外纳米压印、刻蚀或者Lift-off工艺，本发明可用于高密度磁盘、微光学器件（如光学透镜、衍射光学元件等）、玻璃图形化、各种涂层和表面结构（抗反射、自清洁、抗霜等）、三维微型电池、蝶式太阳能聚光器、复眼影像感测器、微流控器件、生物传感器、MEMS器件、光伏器件等的制造，尤其适合大面积平板显示、太阳能电池板、玻璃图形化、LED图形化、晶圆级微光学器件的工业级生产。

附图说明

图1是本发明制造水溶性PVA薄膜模具装置的结构示意图；

图2是本发明制造的水溶性PVA薄膜模具结构示意图；

图3是本发明制造水溶性PVA薄膜模具的工作过程流程图。

其中，1放卷装置；2PET薄膜衬底；3、4、11、12导向装置；5电晕处理装置；601网纹涂布辊、602多头滴胶机、603刮刀、604支撑辊；701膜厚测量装置、702膜厚控制装置；8预干燥固化装置；901压印辊、902脱模辊、903干燥固化装置、904和905支撑辊；10后干燥固化装置；13水溶性PVA薄膜模具；1301图形层；130101凸微纳结构特征；130102凹微纳结构特征；14收卷装置；15PVA水溶胶。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明

本发明以以下结构模具的制造为实施例，其中PET薄膜衬底的厚度200微米，水溶性PVA薄膜图形层的厚度50微米。

图1是本发明制造水溶性PVA薄膜模具装置的结构示意图，它包括：放卷装置1，PET薄膜衬底2，导向装置3、4、11和12，电晕处置装置5，涂布装置，膜厚测控装置，预干燥固化装置8，热滚压印成型装置，后干燥固化装置10，水溶性PVA薄膜模具13，收卷装置14，PVA水溶胶15。其中卷装的PET薄膜衬底2缠绕在放卷装置1的放卷辊上，电晕处理装置5设置于所述放卷装置1之后，涂布装置设置于所述电晕处理装置5之后，膜厚测控装置设置于所述涂布装置之后，预干燥固化装置8设置于所述膜厚控制装置之后，热滚压印成型装置设置于所述预干燥固化装置8之后，后干燥固化装置10设置于所述热滚压印成型装置之后，收卷装置14设置于所述后干燥固化装置10之后，在放卷装置1和收卷装置14之间设置导向装置3、4、11和12。通过涂布装置将PVA水溶胶15涂布在PET薄膜衬底2之上。

其中，所述放卷装置1包括：电机、减速机、放卷辊和张力控制器。卷状的PET薄膜衬底2缠绕在放卷辊上，收卷装置1具有张力控制功能。

电晕处理装置5对PET薄膜衬底2的上表面进行电晕处理，增加PET薄膜衬底2的表面能。提高PET薄膜衬底2与涂布装置涂布在其上的PVA水溶胶15的结合力。

涂布装置包括：网纹涂布辊601、多头滴胶机602、刮刀603、支撑辊604。涂布装置将PVA水溶胶15（含水量80-85%）均匀涂铺在PET薄膜衬底2上。涂布的厚度由网纹涂布辊601的网线数和网孔容积来确定。网纹涂布辊601表面网纹内的涂布液（PVA水溶胶15）和反向运动的PET薄膜衬底2一接触，PVA水溶胶15便转移到PET薄膜衬底2的表面。多头滴胶机602用于放置配置好的PVA水溶胶15，并利用其多个微喷头将PVA水溶胶15均匀涂铺在网纹涂布辊表面。所述刮刀603用于除去网纹涂布辊表面多余的PVA水溶胶15。

膜厚测控装置包括：膜厚测量装置701、膜厚控制装置702。涂布在PET薄膜衬底2上PVA水溶胶15，随着PET薄膜衬底2的移动，在表面张力的作用下进一步经过自流平后，利用膜厚测量装置701测量PVA水溶胶15薄膜的厚度，如果测量的膜厚超过允许的误差，利用膜厚控制装置702进行调整，确保PVA水溶胶15均匀一致性的涂布在PET薄膜衬底2之上。

预干燥固化装置8可以是红外/热风干燥装置，利用红外/热风干燥装置蒸发PVA水溶胶15薄膜涂层中的溶剂，使PVA水溶胶15薄膜的含水量控制在50-55%。

热滚压印成型装置：包括压印辊901、脱模辊902、干燥固化装置903、支撑辊904和905。所述压印辊901表面包含有微纳米特征结构的图案（PVA薄膜模具需要的图案），通过压印辊901和支撑辊的905线接触施压，将压印辊901的特征结构复制到PVA水溶胶15薄膜材料上，经过干燥固化后（PVA水溶胶15的含水量20-25%），利用脱模辊902，将压印固化成型的PVA胶膜与压印辊901分离，完成脱模。采用多个支撑辊904可以确保PVA水溶胶15在压印辊901上均匀铺展并且完全填充压印辊901上的凹形特征结构。压印辊901可以采用镍辊（箔状平面镍模具缠绕在钢辊上）。支撑辊904、905采用PDMS柔性辊或者橡胶辊，确保压印辊901和PET薄膜衬底2的良好的共形接触。压印辊901辊筒内部设有加热装置（线圈、电阻或者热油等）。干燥固化装置903采用热风干燥装置。

后干燥固化装置10采用红外/热风干燥装置，利用该装置进一步蒸发固化成型的水溶性PVA薄膜模具13中的溶剂，得到含水量15-20%的水溶性PVA薄膜模具13。

收卷装置14包括：电机、减速机、收卷辊、张力控制器。收卷装置14具有张力控制功能，利用张力控制器实现PET薄膜衬底2的张力稳定。收卷装置14将制造完成的水溶性PVA薄膜模具13收取成卷，缠绕在收卷辊上。

导向装置（3、4、11、12）实现PET薄膜衬底2和水溶性PVA薄膜模具13走向的改变，收卷之前水溶性PVA薄膜模具13的展平，消除薄膜起皱，并防止PET薄膜衬底2和水溶性PVA薄膜模具13的跑偏。所述放卷辊1和收卷辊14以相同的线速度朝水溶性PVA薄膜模具13缠绕收卷的方向运动。所述网纹涂布辊601与PET薄膜衬底2的运动方向相反。所述压印辊901与PET薄膜衬底2的运动方向一致。

图2是本发明制造的水溶性PVA薄膜模具13结构示意图，所述水溶性PVA薄膜模具13包括图形层1301和支撑层（PET薄膜衬底2），其中图形层1301为PVA水溶胶15，其中图形层1301包含凸凹微纳结构特征130101和130102，PET薄膜衬底2位于图形层1301之上。图形层1301的厚度是50微米，PET薄膜衬底2厚度是200微米。图形层1301是PVA薄膜。支撑层是透明高弹性薄膜状PET材料。支撑层位于图形层1301之上，对图形层1301起到支撑作用，并增加薄膜模具的强度.

所述水溶胶液主要由PVA、水、脱膜剂、增塑剂（乙二醉，甘油等）和其它功能助剂（如消泡剂：0.01-0.05％(以PVA为基准)的辛醇、磷酸三丁酯或0.2－0.5％(以PVA为基准)的有机硅乳液；防腐剂：0.01－0.05％（以PVA为基准）的甲醛、水杨酸）等五个主要部分组成，均为按质量份计。

图3是本发明制造水溶性PVA薄膜模具的工作过程流程图，它包括如下工艺步骤：

（1）预处理

配置PVA水溶胶15：以聚乙烯醇PVA为基材（聚合度1700，型号PVA17-99），水作为主溶剂，并添加各种助剂（如表面活性剂、增塑剂、防粘剂等），制成含水量（湿基）80～85％的PVA水溶胶15，均为质量份。

开启放卷装置1和收卷装置14；将配置好的PVA水溶胶15液放到涂布装置的多头滴胶机602的储液罐中（配液和供液）；开启电晕处理装置5；开启涂布装置6；开启热滚压印成型装置；开启预干燥固化装置8和后干燥固化装置10。厚度为200微米的卷状PET薄膜衬底缠绕在放卷装置1的放卷辊上。

（2）电晕处理

利用电晕处理装置5（例如等离子表面处理机）对PET薄膜衬底2的上表面进行电晕处理，增加PET薄膜衬底2的表面能。提高PET薄膜衬底2与涂布装置涂布在其上的PVA水溶胶15的结合力。

（3）PVA水溶胶的涂布

①利用涂布装置的多头滴胶机602将PVA水溶胶15均匀的涂布到网纹涂布辊601的网孔中（使用四棱柱凹版涂布辊），并使用刮刀603将网纹辊表面多余的PVA水溶胶15刮去；

②网纹涂布辊601表面网纹内的涂布液（PVA水溶胶15）和反向运动的PET薄膜衬底2一接触，PVA水溶胶15便转移到PET薄膜衬底2的上表面，实现将网纹辊凹槽中的PVA水溶胶15均匀涂布到PET薄膜衬底2上。涂布PVA水溶胶15的厚度是50微米，PVA水溶胶15的含水量80-85%。

（4）膜厚测量和控制

①利用膜厚测量装置701测量涂布的PVA水溶胶15薄膜层的厚度；

②将测量膜厚的测量值反馈到膜厚控制装置702，如果厚度和均一性超差，利用膜厚控制装置702对涂布的厚度和均一性进行调整，确保PVA水溶胶15薄膜的厚度和均一性的偏差控制在允许的范围内（±5微米）。

（5）预干燥固化

采用红外/热风干燥装置作为预干燥固化装置8，利用红外/热风干燥装置蒸发涂布在PET薄膜衬底2之上PVA水溶胶15薄膜涂层中的溶剂，使PVA水溶胶薄膜的含水量控制在50-55%。

（6）压印成型

①通过压印辊901和支撑辊905的共同作用，在线接触压印力的作用下将PET薄膜衬底2之上涂布的PVA水溶胶15挤压填充到压印辊901凹形特征中，并进一步利用至少一个支撑辊904实现PVA水溶胶15对压印辊901凹形特征的完全填充和均匀铺展；②通过加热的压印辊901和干燥固化装置903的共同作用，蒸发PVA水溶胶15中的溶剂，干燥固化PVA胶膜（使PVA水溶胶的含水量控制20-25%），使其固化成型；③利用脱模辊902将压印固化成型的PVA胶膜与压印辊901分离，完成脱模。

（7）后干燥固化

采用红外/热风干燥装置作为后干燥固化装置10，利用该装置进一步蒸发PVA薄膜中的溶剂，含水量控制在15-20%，得到水溶性PVA薄膜模具13。

（8）收卷

通过收卷装置14，将制造完成的水溶性PVA薄膜模具13收取成卷，缠绕在收卷辊上。

本实施例所述放卷辊和收卷辊以相同的线速度朝水溶性PVA薄膜模具13缠绕的方向运动。所述网纹涂布辊601与PET薄膜衬底2的运动方向相反。所述压印辊901与PET薄膜衬底2的运动方向一致。

本实施例所述压印辊901施加的压力是3MPa，压印辊901的速度0.05m/s，压印辊901加热的温度是80℃。

本实施例加热温度为70℃，热风风速1.5m/s。

本实施例所述PVA水溶胶15采用采用水和乙醇的混合物作溶剂。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种制造水溶性PVA薄膜模具的装置，其特征是，它包括：放卷装置、PET薄膜衬底、电晕处理装置、涂布装置、膜厚测控装置、预干燥固化装置、热滚压印成型装置、后干燥固化装置、收卷装置、导向装置，PET薄膜衬底从放卷装置送出经导向装置送入收卷装置；在放卷装置与收卷装置间沿导向装置运行方向依次设置电晕处理装置、涂布装置、膜厚测控装置、预干燥固化装置、热滚压印成型装置、后干燥固化装置、水溶性PVA薄膜模具，涂布装置将含水量80-85%的PVA水溶胶均匀一致性的涂布在PET薄膜衬底上；预干燥固化装置将PVA水溶胶涂层的水量降低到50-55%；热滚压印成型装置得到水溶性PVA薄膜模具，并将水溶性PVA薄膜模具的含水量控制在20-25%；后干燥固化装置对水溶性PVA薄膜模具进一步干燥固化，得到含水量15-20%的水溶性PVA薄膜模具，完成制造。

2.如权利要求1所述的制造水溶性PVA薄膜模具的装置，其特征是，所述涂布装置包括：网纹涂布辊、多头滴胶机、刮刀、支撑辊；网纹涂布辊和支撑辊上下布置，PET薄膜衬底从两者间通过；PVA水溶胶置于多头滴胶机内；在网纹涂布辊一侧设有刮刀，通过调整网纹涂布辊的网线数和网孔容积确定涂布的厚度。

3.如权利要求1所述的制造水溶性PVA薄膜模具的装置，其特征是，所述热滚压印成型装置包括：压印辊、脱模辊、干燥固化装置、支撑辊；所述压印辊位于PET薄膜衬底上方，脱模辊、干燥固化装置、支撑辊位于PET薄膜衬底下方；所述压印辊表面具有凸凹的微纳米特征结构的图案，压印辊内部设有加热装置，所述支撑辊为柔性辊；所述预干燥固化装置、后干燥固化装置均为红外/热风式，干燥固化装置采用热风式。

4.如权利要求1所述的制造水溶性PVA薄膜模具的装置，其特征是，所述水溶性PVA薄膜模具包括图形层和PET薄膜衬底，其中图形层为PVA水溶胶薄膜，其中图形层包含凸、凹微纳结构特征，PET薄膜衬底位于图形层之上；图形层的厚度10-100微米，支撑层厚度是100-500微米。

5.如权利要求3所述的制造水溶性PVA薄膜模具的装置，其特征是，所述压印辊施加的压力是0.1MPa-30MPa，所述压印辊加热的温度是40℃-90℃；所述预干燥固化装置、后干燥固化装置、干燥固化装置的温度50℃-70℃，热风风速1m/s-2m/s。

6.一种采用权利要求1-5任一所述制造水溶性PVA薄膜模具的装置的制作方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤（1）：预处理；

步骤（2）：电晕处理；

步骤（3）：含水量80-85%的PVA水溶胶的涂布；

步骤（4）：膜厚测量和控制；

步骤（5）：预干燥固化，使含PVA水溶胶涂层的水量降低到50-55%；

步骤（6）：压印成型，PVA胶膜的含水量控制在20-25%；

步骤（7）：后干燥固化，得到含水量15-20%的水溶性PVA薄膜模具；

步骤（8）：收卷。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征是，所述步骤（3）的工作过程为：

（3-1）首先，利用涂布装置的多头滴胶机将含水量80-85%的PVA水溶胶均匀涂布到网纹辊的网孔中，并使用刮刀将网纹涂布辊表面多余的PVA水溶胶刮去；

（3-2）随后，网纹涂布辊表面网纹内的PVA水溶胶和反向运动的PET薄膜衬底接触，PVA水溶胶便转移到PET薄膜衬底的上表面，实现将网纹涂布辊网孔中的PVA水溶胶均匀涂布到PET薄膜衬底上。

8.如权利要求6所述的制作方法，其特征是，所述步骤（5）的工作过程为：利用红外/热风预干燥固化装置蒸发PVA水溶胶薄膜涂层中的溶剂，使PVA水溶胶薄膜的含水量控制在50-55%。

9.如权利要求6所述的制作方法，其特征是，所述步骤（6）的工作过程为：

（6-1）首先，通过压印辊和支撑辊的共同作用，在线接触压印力的作用下将PET薄膜衬底之上涂布的PVA水溶胶挤压填充到压印辊凹形特征中，实现PVA水溶胶对压印辊凹形特征的完全填充和均匀铺展；

（6-2）随后，通过加热压印辊和干燥固化装置的共同作用，蒸发PVA水溶胶薄膜中的溶剂，干燥固化PVA胶膜，使PVA水溶胶的含水量控制在20-25%，PVA水溶胶固化成型；

（6-3）最后，利用脱模辊将压印固化成型的PVA胶膜与压印辊分离，完成脱模。

10.如权利要求6所述的制作方法，其特征是，所述步骤（7）的工作过程为：利用后干燥固化装置蒸发PVA模具薄膜中的溶剂，PVA水溶胶薄膜的含水量控制在15-20%，得到水溶性PVA薄膜模具成品。