CN105058770A - 一种快速聚合物微结构等温平板热压印工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，微结构的模具在温度为热压印的无定型型聚合物玻璃化转变温度Tg以下5℃～20℃或者在温度为热压印的结晶型聚合物的结晶熔点Tm以下10℃～50℃的条件下，对聚合物基片进行热压印，在热压印结束后，保持模具温度不变的情况下直接脱模，得到表面具有微结构的聚合物器件。该工艺通过利用聚合物固态下玻璃化转变温度(Tg)附近或结晶熔点(Tm)以下的塑性变形进行微结构成型，热压印过程中保持模具温度恒定避免反复加热冷却造成的耗时，以此实现微结构平板热压印的快速完成；并通过温度控制使其塑性变形在应变流动阶段进行，避免塑性变形进入应变硬化阶段，保证微结构有较高的复制率。

Description

一种快速聚合物微结构等温平板热压印工艺
技术领域
本发明涉及一种平板热压印的工艺方法，具体涉及一种利用聚合物固态下的塑性变形进行成型的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，属于微纳制造技术领域。
背景技术
具有微纳结构的聚合物器件在精密光学、生物医疗等领域有重要的应用，近些年来，聚合物微纳结构器件的研究快速发展，聚合物微结构在微技术领域存在着相当大的潜在市场。
热压印技术是制备聚合物微纳结构器件的主要工艺方法之一，其具有微纳结构复制率高、成型精度高的特点。1995年，美国普林斯顿大学的ChouS.Y.等人首次提出高温下压印固态聚合物的方法，并在聚合物基片上制造出特征尺寸为25nm和100nm的沟槽。热压印过程分为五步：(1)将聚合物基片放在模具与衬板之间；(2)在一定的压力条件下，将模具和聚合物片材加热到合适的压印温度；(3)持续对模具施加压力进行压印，此过程需保证聚合物充分填充到微结构模腔中；(4)在脱模前将模具和聚合物降温到Tg以下，使压印得到的微结构定型同时防止最后脱模时聚合物粘附模具；(5)脱模，得到表面带有微纳结构的聚合物片材制品，完成压印过程。
CN200410052383.3公开一种热压印方法，该方法包括提供一基底和一具有预定图案的压模；将压模与基底在真空腔室内对准；通入小分子物质蒸汽；加热压模与基底至基底的玻璃化温度之上，并施压；之后，将压模与基底冷却，最后将压模与基底分离，从而完成压印工艺。该发明通过通入小分子物质蒸汽以降低压模与基底界面间的吸附能，实现微纳米图形结构的转移。
CN201210168800.5公开一种飞艇蒙皮用TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，制备方法为：一、制备表面具有“V”型沟槽结构的Al制模板；二、清洗模板并涂覆脱模剂；三、用无水乙醇超声清洗TPU薄膜；四、在温度为130～135℃、压力为50～70N的条件下，压印15～20min，停止加热，保压2～2.5h，完成减阻微沟槽的热压印制备。
以上专利都对传统的热压方法进行改进，使操作更简单、成本更低廉。但是仍采用了非等温热压印工艺，即在每一个压印周期内，压印模具都要需经过先加热后冷却的非等温热压印。制备过程中模具需要反复的加热冷却，导致耗时严重，延长了平板热压印的周期；另外脱模时由于冷却不足导致脱模容易出现脱模缺陷。这些缺点是平板热压印技术尚未解决的技术难题。
因此，针对现有技术不足，提供一种快速聚合物微结构等温平板热压印工艺以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，通过利用聚合物在玻璃化转变温度Tg附近(对无定型聚合物)或结晶熔点Tm以下(对结晶型聚合物)的塑性变形进行微结构成型，热压印过程中保持模具温度恒定避免现有技术中对模具反复加热冷却造成的耗时，以此实现微结构平板热压印的快速完成；并通过温度控制使其塑性变形在应变流动阶段进行，避免塑性变形进入应变硬化阶段，保证微结构有较高的复制率。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
提供一种快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，微结构的模具在温度为待热压印的无定型型聚合物玻璃化转变温度Tg以下5℃～20℃或者在温度为待热压印的结晶型聚合物的结晶熔点Tm以下10℃～50℃的条件下，对聚合物基片进行热压印，在热压印结束后，保持模具温度不变的情况下直接脱模，得到表面具有微结构的聚合物器件。
优选的，聚合物基片为无定型时，还包括对聚合物基片进行预热操作，具体是将聚合物基片预热到其玻璃化转变温度Tg以上5℃～20℃以后再进行热压印。
进一步的，对聚合物基片预热操作使聚合物基片的受压表面温度分布均匀。
进一步的，模具的温度设置为聚合物基片不粘附模具的最高温度。
进一步的，热压印的压力为2～10Mpa，时间为5s～30s。
进一步的，无定型聚合物包括但不限于PMMA、PC、PS或者PVC材质，聚合物基片可为厚度0.01mm至2.00mm的薄板、薄片或者薄膜。
另一优选的，聚合物基片为结晶型时，模具直接对常温至聚合物结晶熔点以下的结晶型聚合物基片进行热压印。
进一步的，模具的温度设置为聚合物基片不粘附模具的最高温度，并在整个压印过程保持温度恒定。
进一步的，热压印的压力为2～10Mpa，时间为5s～30s。
进一步的，结晶型聚合物包括但不限于PP、PE或者PET材质，聚合物基片可为厚度0.01mm至2.00mm的薄板、薄片或者薄膜。
本发明的一种快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，微结构模具在温度为热压印的无定型聚合物玻璃化转变温度Tg以下5℃～20℃或者在温度为热压印的结晶型聚合物的结晶熔点Tm以下10℃～50℃的条件下，对聚合物基片进行热压印，在热压印结束后，保持模具温度不变的情况下直接脱模，得到表面具有微结构的聚合物器件。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
(1)简化了平板热压印工艺，避免了现有技术中平板热压印工艺需要反复加热冷却造成的耗时耗能缺陷，显著缩短了平板热压印周期，实现了快速平板热压印，且操作简便，易实现大规模工业化生产。
(2)通过温度控制使聚合物微结构成型过程主要利用聚合物固态下的塑性变形，整个成型过程更加可控，微结构成型精度高、整体一致性好；
(3)本工艺较传统热压印工艺的温度低，解决了因聚合物与模具热收缩率不同造成的脱模的缺陷，同时有利于减低耗能。
附图说明：
图1为本发明中适用于无定型聚合物的温度压力控制工艺曲线；
图2为本发明中适用于结晶型聚合物的温度压力控制工艺曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
实施例1。
一种快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，聚合物基片为无定型，具体通过如下步骤进行。
(1)预热，对聚合物基片进行预热操作，具体是将聚合物基片预热到其玻璃化转变温度Tg以上5℃～20℃以后再进行热压印，预热操作确保聚合物基片的受压表面温度分布均匀。
(2)热压印，微结构的模具在温度为待热压印的无定型聚合物玻璃化转变温度Tg以下5℃～20℃的条件下，对聚合物基片进行热压印，热压印的压力为2～10Mpa，时间为5s～30s。图1是本发明快速聚合物微结构等温平板热压印工艺适用于无定型型聚合物的温度压力控制工艺曲线。
(3)脱模，在热压印结束后，保持模具温度不变的情况下直接脱模，得到表面具有微结构的聚合物器件。
本发明的工艺是在保持模具温度恒定的条件下对聚合物基片进行热压印，热压印过程包括压印、保压和脱模过程。
需要说明的是，无定型聚合物包括但不限于PMMA、PC、PS或者PVC材质，聚合物基片可为厚度0.01mm至2.00mm的薄板、薄片或者薄膜。
本发明的工艺方法通过利用聚合物固态下玻璃化转变温度(Tg)附近的塑性变形进行微结构成型，热压印过程中保持模具温度恒定避免反复加热冷却造成的耗时，以此实现微结构平板热压印的快速完成；并通过温度控制使其塑性变形在应变流动阶段进行，避免塑性变形进入应变硬化阶段，保证微结构有较高的复制率。
本发明的工艺方法通过控制模具温度使聚合物微结构成型过程主要利用聚合物固态下的塑性变形，整个成型过程更加可控，微结构成型精度高、整体一致性好，该工艺方法所采用的热压印工艺较传统工艺温度低，避免了现有技术中因聚合物与模具热收缩率不同造成的脱模的缺陷，同时有利于减低耗能。
该工艺方法简化了平板热压印工艺，避免了现有技术中平板热压印工艺需要反复加热冷却造成的耗时耗能缺陷，显著缩短了平板热压印周期，实现了快速平板热压印，且操作简便，易实现大规模工业化生产。
实施例2。
一种快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，聚合物基片为结晶型，具体通过如下步骤进行。
微结构的模具在温度为待热压印的结晶型聚合物的结晶熔点Tm以下10℃～50℃的条件下，直接对常温至结晶熔点以下温度的结晶型聚合物基片进行热压印，在热压印结束后，保持模具温度不变的情况下直接脱模，得到表面具有微结构的聚合物器件。热压印的压力为2～10Mpa，时间为5s～30s，图2是本发明快速聚合物微结构等温平板热压印工艺适用于结晶型聚合物的温度压力控制工艺曲线。
需要说明的是，结晶型聚合物包括但不限于PP、PE或者PET材质，聚合物基片可为厚度0.01mm至2.00mm的薄板、薄片或者薄膜。
本发明的工艺方法通过利用聚合物固态下结晶熔点(Tm)附近的塑性变形进行微结构成型，热压印过程中保持模具温度恒定避免反复加热冷却造成的耗时，以此实现微结构平板热压印的快速完成；并通过温度控制使其塑性变形在应变流动阶段进行，避免塑性变形进入应变硬化阶段，保证微结构有较高的复制率。
本发明的工艺方法通过控制模具温度使聚合物微结构成型过程主要利用聚合物固态下的塑性变形，整个成型过程更加可控，微结构成型精度高、整体一致性好，该工艺方法所采用的热压印工艺较传统工艺温度低，避免了现有技术中因聚合物与模具热收缩率不同造成的脱模的缺陷，同时有利于减低耗能。
该工艺方法简化了平板热压印工艺，避免了现有技术中平板热压印工艺需要反复加热冷却造成的耗时耗能缺陷，显著缩短了平板热压印周期，实现了快速平板热压印，且操作简便，易实现大规模工业化生产。
实施例3。
本实施例提供以PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯Polymethylmethacrylate)为基材的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，无定型聚合物PMMA基材的玻璃化转变温度Tg为105℃。所采用微结构的模具表面为特征尺寸为50μm的V-Cut结构。
该快速聚合物微结构等温平板热压印工艺包括以下步骤：
(1)预热：将PMMA基片预热到110℃，预热过程中控制使聚合物基片的受压表面的温度呈均匀分布；
(2)压印：使微结构的模具温度保持100℃，确保平板状模具表面温度分布均匀，平板状模具对预热好的聚合物基片进行热压印，压印压力为4Mpa，压印时间为15s；
(3)脱模：热压印完成后，使模具温度保持不变，直接脱模，得到表面具有V-Cut微结构的聚合物器件。
本发明的工艺方法通过利用聚合物固态下玻璃化转变温度(Tg)附近的塑性变形进行微结构成型，热压印过程中保持模具温度恒定避免反复加热冷却造成的耗时，以此实现微结构平板热压印的快速完成；并通过温度控制使其塑性变形在应变流动阶段进行，避免塑性变形进入应变硬化阶段，保证微结构有较高的复制率。
本发明的工艺方法通过控制模具温度使聚合物微结构成型过程主要利用聚合物固态下的塑性变形，整个成型过程更加可控，微结构成型精度高、整体一致性好，该工艺方法所采用的热压印工艺较传统工艺温度低，避免了现有技术中因聚合物与模具热收缩率不同造成的脱模的缺陷，同时有利于减低耗能。
该工艺方法简化了平板热压印工艺，避免了现有技术中平板热压印工艺需要反复加热冷却造成的耗时耗能缺陷，显著缩短了平板热压印周期，实现了快速平板热压印，且操作简便，易实现大规模工业化生产。
实施例4。
本实施例提供以PP(聚丙烯)为基材的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，结晶型聚合物PP基材的结晶熔点Tm为160℃，所采用微结构的模具表面为特征尺寸50μm的V-Cut结构。
该快速聚合物微结构等温平板热压印工艺包括以下步骤：
(1)压印：平板模具温度设置115℃，模具直接对常温的PP基材进行热压印，压印压力为5Mpa，压印时间为20s；
(2)脱模：热压印完成后，模具温度保持不变，直接脱模，得到表面具有V-Cut微结构的聚合物器件。
本发明的工艺方法通过利用聚合物固态下结晶熔点(Tm)附近的塑性变形进行微结构成型，热压印过程中保持模具温度恒定避免反复加热冷却造成的耗时，以此实现微结构平板热压印的快速完成；并通过温度控制使其塑性变形在应变流动阶段进行，避免塑性变形进入应变硬化阶段，保证微结构有较高的复制率。
本发明的工艺方法通过控制模具温度使聚合物微结构成型过程主要利用聚合物固态下的塑性变形，整个成型过程更加可控，微结构成型精度高、整体一致性好，该工艺方法所采用的热压印工艺较传统工艺温度低，避免了现有技术中因聚合物与模具热收缩率不同造成的脱模的缺陷，同时有利于减低耗能。
该工艺方法简化了平板热压印工艺，避免了现有技术中平板热压印工艺需要反复加热冷却造成的耗时耗能缺陷，显著缩短了平板热压印周期，实现了快速平板热压印，且操作简便，易实现大规模工业化生产。
实施例5。
本实施例提供以PVC(聚氯乙烯)为基材的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，无定型型聚合物PVC基材的玻璃化转变温度Tg为80℃。所采用微结构的模具表面为特征尺寸为50μm的V-Cut结构。
该快速聚合物微结构等温平板热压印工艺包括以下步骤：
(1)预热：将PVC基片预热到90℃，预热过程保证聚合物受压表面温度分布均匀；
(2)压印：微结构模具温度设置为70℃，保证平板模具表面温度分布均匀，平板模具对预热好的聚合物基片进行微压印，压印压力为8Mpa，压印时间为10s；
(3)脱模：热压印完成后，模具温度保持不变，直接脱模，得到表面具有V-Cut微结构的聚合物器件。
本发明的工艺方法通过利用聚合物固态下玻璃化转变温度(Tg)附近的塑性变形进行微结构成型，热压印过程中保持模具温度恒定避免反复加热冷却造成的耗时，以此实现微结构平板热压印的快速完成；并通过温度控制使其塑性变形在应变流动阶段进行，避免塑性变形进入应变硬化阶段，保证微结构有较高的复制率。
本发明的工艺方法通过控制模具温度使聚合物微结构成型过程主要利用聚合物固态下的塑性变形，整个成型过程更加可控，微结构成型精度高、整体一致性好，该工艺方法所采用的热压印工艺较传统工艺温度低，避免了现有技术中因聚合物与模具热收缩率不同造成的脱模的缺陷，同时有利于减低耗能。
该工艺方法简化了平板热压印工艺，避免了现有技术中平板热压印工艺需要反复加热冷却造成的耗时耗能缺陷，显著缩短了平板热压印周期，实现了快速平板热压印，且操作简便，易实现大规模工业化生产。
实施例6。
本实施例提供以PE(聚乙烯)为基材的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，结晶型聚合物PE基材的结晶熔点Tm为127℃，所采用微结构的模具表面为特征尺寸50μm的V-Cut结构。
该快速聚合物微结构等温平板热压印工艺包括以下步骤：
(1)压印：平板模具温度设置110℃，模具直接对常温的PE基材进行热压印，压印压力为7Mpa，压印时间为11s；
(2)脱模：热压印完成后，模具温度保持不变，直接脱模，得到表面具有V-Cut微结构的聚合物器件。
本发明的工艺方法通过利用聚合物固态下结晶熔点(Tm)附近的塑性变形进行微结构成型，热压印过程中保持模具温度恒定避免反复加热冷却造成的耗时，以此实现微结构平板热压印的快速完成；并通过温度控制使其塑性变形在应变流动阶段进行，避免塑性变形进入应变硬化阶段，保证微结构有较高的复制率。
本发明的工艺方法通过控制模具温度使聚合物微结构成型过程主要利用聚合物固态下的塑性变形，整个成型过程更加可控，微结构成型精度高、整体一致性好，该工艺方法所采用的热压印工艺较传统工艺温度低，避免了现有技术中因聚合物与模具热收缩率不同造成的脱模的缺陷，同时有利于减低耗能。
该工艺方法简化了平板热压印工艺，避免了现有技术中平板热压印工艺需要反复加热冷却造成的耗时耗能缺陷，显著缩短了平板热压印周期，实现了快速平板热压印，且操作简便，易实现大规模工业化生产。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，其特征在于：
微结构的模具在温度为待热压印的无定型型聚合物玻璃化转变温度Tg以下5℃～20℃或者在温度为待热压印的结晶型聚合物的结晶熔点Tm以下10℃～50℃的条件下，在保持模具温度恒定的条件下对聚合物基片进行热压印，所述热压印过程包括压印、保压和脱模过程。
2.根据权利要求1所述的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，其特征在于：
聚合物基片为无定型型时，还包括对聚合物基片进行预热操作，具体是将聚合物基片预热到其玻璃化转变温度Tg以上5℃～20℃以后再进行热压印。
3.根据权利要求2所述的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，其特征在于：
对聚合物基片预热操作使聚合物基片的受压表面温度分布均匀。
4.根据权利要求3所述的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，其特征在于：
模具的温度设置为聚合物基片不粘附模具的最高温度。
5.根据权利要求4所述的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，其特征在于：
热压印的压力为2～10Mpa，时间为5s～30s。
6.根据权利要求5所述的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，其特征在于：
无定型型聚合物包括PMMA、PC、PS或者PVC材质，聚合物基片为厚度0.01mm至2.00mm的薄板、薄片或者薄膜。
7.根据权利要求1所述的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，其特征在于：
聚合物基片为结晶型时，模具直接对温度为常温至结晶熔点以下温度的结晶型聚合物基片进行热压印。
8.根据权利要求7所述的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，其特征在于：
模具的温度设置为聚合物基片不粘附为模具的最高温度，并在整个压印过程保持温度恒定。
9.根据权利要求8所述的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，其特征在于：
热压印的压力为2～10Mpa，时间为5s～30s。
10.根据权利要求9所述的快速聚合物微结构等温平板热压印工艺，其特征在于：
结晶型聚合物包括PP、PE或者PET材质，聚合物基片为厚度0.01mm至2.00mm的薄板、薄片或者薄膜。
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