CN106365112B - 一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法 - Google Patents

一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法，先获得具有背衬热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列，浸没在磁性复合物涂层里获得顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元阵列；然后使磁性复合物微冲头接触蘸取粘合剂获得表面覆盖有粘合剂涂层的磁性复合物微冲头，再通过蘸取获得表面覆盖有液滴状复合材料溶液的磁性复合物微冲头；加热使温度高于转变温度，塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元在磁场的驱动下运动接触至曲面样品表面；预加热曲面样品，提拉模具获得曲面复合材料微米柱阵列；通过溶解粘附剂涂层分离模具获得曲面复合材料微米柱阵列；通过对可重构柔性模具加热处理，使其恢复到初始形貌，本发明制备方法简单，自适应性及可重构性高。

Description

一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，特别涉及一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法。
背景技术
随着纳米科技的兴起和微纳米检测表征设备的蓬勃发展，纳米仿生材料也逐渐成为国内外科学家的研究热点。自然界生物材料的微纳米结构启发了人们去设计人工的具有类似的微纳米结构的材料来获得某些特定的性质。例如，材料学家通过模仿壁虎脚的高深宽比刚毛阵列微结构制备出具有超粘性的柔性微纳米柱阵列表面。柔性微纳米柱阵列广泛应用于细胞检查和颗粒分离、超疏水和超疏油以及柔性机器人等领域。
现在的柔性微米柱阵列制备方法主要有纳米压印法、电诱导成型法以及模具复型法。这些方法主要致力于制造平面微纳米柱阵列，对于复杂的曲面微纳米柱阵列的制备存在很大局限性。比如，纳米压印法和模具复型法依赖于模具，而曲面模具的制造难度很大且成本高。此外，一些研究者提出利用模具复型法制备出平面的具有柔性微纳米柱阵列的柔性薄膜，然后将该薄膜铺展粘附在曲面上，以此间接实现曲面微纳米柱阵列的制造。然而，该方法只适用于母线是直线的曲面，对于复杂的曲面(母线是曲线的曲面)依然不适用。
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基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法，制备方法简单、成本低、自适应性以及可重构性高，可以适用于多种复杂曲面微纳米柱阵列的制造。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法，包括以下步骤：
1)制备热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列：首先配制热塑性弹性体、小分子结晶物质和导热改性剂的热塑性形状记忆聚合物，然后将热塑性形状记忆聚合物涂覆在SU-8模板上；热塑性形状记忆聚合物转变温度为Tg，通过翻模复型具有微孔阵列的SU-8模板获得具有背衬热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列；热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元直径D＝5～600μm，中心距K＝20～2000μm；高度H＝50～5000μm；
2)制备顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元阵列：首先按照聚合物、固化剂与磁性粒子重量比10:1:1～10:1:5配制磁性复合物，然后将磁性复合物涂覆在平整的衬底表面获得磁性复合物涂层；用步骤1)制备的热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列的顶端浸没在磁性复合物涂层并分离，然后加热固化可伸缩微单元顶端粘附的磁性复合物，如此反复3～10次，最终获得顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元阵列；
3)制备可重构柔性模具：可重构柔性模具包括热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列、背衬、磁性复合物微冲头、电磁铁以及加热装置，首先将粘合剂涂覆在基底表面，然后使磁性复合物微冲头接触蘸取粘合剂获得表面覆盖有粘合剂涂层的磁性复合物微冲头；配置树脂与固化剂重量比为10:1～10:3的复合材料溶液，然后将复合材料溶液涂覆在硅片表面，通过同样的方法蘸取获得表面覆盖有液滴状复合材料溶液的磁性复合物微冲头；将顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元阵列固定，在其上部进行加热，加热温度为T并保持；在其下面放置一个面积大于可伸缩微单元阵列面积的电磁铁；当T＞Tg时，热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元会变成柔软易变形，电磁铁对磁性复合物微冲头会产生吸引力，在吸引力的驱动下，可伸缩微单元实现轴向的伸展运动，完成可重构柔性模具的制备；
4)基于可重构柔性模具的曲面微米柱制造：在电磁铁和表面覆盖有液滴状复合材料溶液的磁性复合物微冲头之间放置一个任意曲面样品；然后调节电磁铁输入电流0.5～5A以改变磁场力大小，驱动顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元拉伸运动，可伸缩微单元会自适应曲面的形貌，当磁性复合物微冲头与曲面样品接触时，可伸缩微单元即完成拉伸运动；保持电磁铁工作，停止加热，等可伸缩微单元自身温度低于热塑性形状记忆聚合物转变温度为Tg时，可伸缩微单元会固化成型，此时对曲面样品进行50～65℃预加热处理；然后提升可重构柔性模具，液滴状复合材料溶液会被拉伸为形状均一的复合材料微米柱阵列；常温固化复合材料微米柱阵列；然后浸没在装有溶解剂的液槽中溶解粘合剂涂层实现可重构柔性模具与复合材料微米柱阵列的分离，获得曲面复合材料微米柱阵列的制造；
5)可重构柔性模具恢复到初始形貌：对清洗干净的可重构柔性模具进行加热，加热温度大于热塑性形状记忆聚合物转变温度为Tg，高低不一的可伸缩微单元会自动恢复到原始高低均一的形貌。
所述的步骤1)中的热塑性弹性体为D.E.R 354、PU(聚氨酯)、SIS(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物)，或是其中任意几个热塑性弹性体混合物；小分子结晶物质为脂肪酸、石蜡或有机酸；导热改性剂为碳纳米管、石墨烯或金纳米粒子。
所述的步骤2)中聚合物为氟树脂、PDMS或PMMA；磁性粒子为铁纳米粒子、钴粉或氧化铁纳米粒子的磁性颗粒。
所述的步骤3)中粘合剂为水溶胶或AB胶；树脂为SU-8光刻胶、聚乙烯或PDMS。
所述的步骤4)中溶解剂为酒精或丙酮。
本发明的优点：本发明获得的基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法具有制备工艺简单、成本低、自适应性以及可重构性高、可以适用于多种复杂曲面微纳米柱阵列的制造。通过热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元使微冲头在轴向具有伸展与回复运动的性能，通过加热使热塑性形状记忆聚合物软化以及磁场驱使磁性复合物微冲头向曲面样品表面移动，直至接触到曲面，离散化多点的磁性复合物微冲头构筑成一个与曲面样品表面相同的曲面，通过该可重构柔性模具实现曲面微米柱阵列的制造。再次加热，离散化多点的磁性复合物微冲头在热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元的带动下恢复至原始形貌，可以反复应用于不同曲面样品微米柱阵列的制造。
附图说明
图1是制备热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列示意图；图1(a)是具有微孔阵列的SU-8模板示意图；图1(b)是热塑性形状记忆聚合物涂覆在SU-8模板示意图；图1(c)是热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列示意图。
图2是制备顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元阵列示意图；图2(a)是可伸缩微单元的顶端浸没在磁性复合物涂层示意图；图2(b)是可伸缩微单元顶端粘附的磁性复合物示意图；图2(c)是最终得到的顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元阵列示意图。
图3是可重构柔性模具工艺流程图；图3(a)是微冲头浸没在有粘合剂涂层示意图；图3(b)是微冲头表面覆盖有粘合剂涂层示意图；图3(c)是表面覆盖有粘合剂涂层的微冲头浸没在树脂复合材料涂层示意图；图3(d)是微分头外面包裹一层复合材料薄膜示意图；图3(e)是可重构柔性模具所需的加热及电磁铁示意图。
图4是基于可重构柔性模具的曲面微米柱制造的工艺流程图；图4(a)是电磁铁通过驱动磁性复合物微冲头运动至曲面样品表面示意图；图4(b)是冷却固化热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列示意图；图4(c)是提拉模具制备曲面复合材料微米柱阵列示意图；图4(d)是溶解粘附剂示意图；图4(e)是获得的曲面复合材料微米柱阵列示意图。
图5是可重构柔性模具恢复到初始形貌工艺流程图，图5(a)是可重构柔性模具进行加热示意图；图5(b)是可重构柔性模具恢复到初始形貌示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法，包括以下步骤：
1)参照图1，制备热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元2阵列：参照图1(a)和1(b)，首先配制热塑性弹性体14聚氨酯、小分子结晶物质13脂肪酸和导热改性剂15石墨烯的热塑性形状记忆聚合物，然后将热塑性形状记忆聚合物涂覆在SU-8模板1上；参照图1(c)，热塑性形状记忆聚合物转变温度为Tg＝70℃，通过翻模复型具有微孔阵列的SU-8模板1获得具有背衬3热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元2阵列；热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元2直径D＝5μm，中心距K＝20μm，高度H＝50μm；
2)参照图2，制备顶端带有磁性复合物4微冲头的可伸缩微单元2阵列：参照图2(a)，首先按照聚合物17PDMS、固化剂与磁性粒子16钴粉的重量比10:1:1配制磁性复合物4，然后将磁性复合物4涂覆在平整的衬底5表面获得磁性复合物4涂层；参照图2(b)，用可伸缩微单元2的顶端浸没在磁性复合物4涂层并分离，然后加热固化可伸缩微单元2顶端粘附的磁性复合物4，如此反复3次，参照图2(c)，最终获得顶端带有磁性复合物4微冲头的可伸缩微单元2阵列；
3)参照图3，制备可重构柔性模具，可重构柔性模具包括热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元2阵列、背衬3、磁性复合物4微冲头、电磁铁9以及加热装置，参照图3(a)，首先将粘合剂6水溶胶涂覆在基底18表面，参照图3(b)，然后使磁性复合物4微冲头接触蘸取粘合剂6水溶胶获得表面覆盖有粘合剂6水溶胶涂层的磁性复合物4微冲头；参照图3(c)和3(d)，配置树脂SU-8与固化剂重量比为10:1的复合材料7溶液，然后将复合材料7溶液涂覆在硅片8表面，通过同样的方法蘸取获得表面覆盖有液滴状复合材料7溶液的磁性复合物4微冲头；参照图3(e)，将顶端带有磁性复合物4微冲头的可伸缩微单元2阵列固定，在其上部进行加热，加热温度为T＝80℃并保持；在其下面放置一个面积大于可伸缩微单元阵列面积的电磁铁9；当T＞Tg时，热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元2会变成柔软易变形，电磁铁9对磁性复合物4微冲头会产生吸引力，在吸引力的驱动下，可伸缩微单元2实现轴向的伸展运动，完成可重构柔性模具的制备；
4)参照图4，基于可重构柔性模具的曲面微米柱制造：参照图4(a)，在电磁铁9和表面覆盖有液滴状复合材料7溶液的磁性复合物4微冲头之间放置一个任意曲面样品10；然后调节电磁铁9输入电流0.5A以改变磁场力大小，驱动顶端带有磁性复合物4微冲头的可伸缩微单元2拉伸运动，可伸缩微单元2会自适应曲面的形貌，当磁性复合物4微冲头与曲面样品10接触时，可伸缩微单元2即完成拉伸运动；参照图4(b)，保持电磁铁9工作，停止加热，等可伸缩微单元2自身温度低于热塑性形状记忆聚合物转变温度为Tg＝70℃时，可伸缩微单元2会固化成型，此时对曲面样品10进行50℃预加热处理；参照图4(c)，然后提升可重构柔性模具，液滴状复合材料7溶液会被拉伸为形状均一的复合材料7微米柱阵列；常温固化复合材料7微米柱阵列；参照图4(d)，然后浸没在装有溶解剂11丙酮的液槽12中溶解粘合剂6水溶胶涂层实现可重构柔性模具与复合材料7微米柱阵列的分离，参照图4(e)，获得曲面复合材料7微米柱阵列的制造；
5)参照图5，可重构柔性模具恢复到初始形貌：参照图5(a)，对清洗干净的可重构柔性模具进行加热，加热温度T＝80℃，大于热塑性形状记忆聚合物转变温度为Tg＝70℃，参照图5(b)，高低不一的可伸缩微单元2会自动恢复到原始高低均一的形貌。
本实施例的有益效果：
通过具有热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元2阵列的可重构柔性模具提拉，参数为直径D＝5μm，中心距K＝20μm，高度H＝50μm；使液滴状复合材料7溶液会被拉伸为形状均一的，直径d＝3μm、中心距k＝20μm、高度h＝100μm的复合材料7微米柱阵列。

Claims (5)

1.一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列：首先配制包括热塑性弹性体、小分子结晶物质和导热改性剂的热塑性形状记忆聚合物，然后将热塑性形状记忆聚合物涂覆在SU-8模板上；热塑性形状记忆聚合物转变温度为Tg，通过翻模复型具有微孔阵列的SU-8模板获得具有背衬热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列；热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元直径D＝5～600μm，中心距K＝20～2000μm；高度H＝50～5000μm；
2)制备顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元阵列：首先按照聚合物、固化剂与磁性粒子重量比10:1:1～10:1:5配制磁性复合物，然后将磁性复合物涂覆在平整的衬底表面获得磁性复合物涂层；用步骤1)制备的热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列的顶端浸没在磁性复合物涂层并分离，然后加热固化可伸缩微单元顶端粘附的磁性复合物，如此反复3～10次，最终获得顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元阵列；
3)制备可重构柔性模具：可重构柔性模具包括热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元阵列、背衬、磁性复合物微冲头、电磁铁以及加热装置，首先将粘合剂涂覆在基底表面，然后使磁性复合物微冲头接触蘸取粘合剂获得表面覆盖有粘合剂涂层的磁性复合物微冲头；配置树脂与固化剂重量比为10:1～10:3的复合材料溶液，然后将复合材料溶液涂覆在硅片表面，通过同样的方法蘸取获得表面覆盖有液滴状复合材料溶液的磁性复合物微冲头；将顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元阵列固定，在其上部进行加热，加热温度为T并保持；在其下面放置一个面积大于可伸缩微单元阵列面积的电磁铁；当T＞Tg时，热塑性形状记忆聚合物可伸缩微单元会变成柔软易变形，电磁铁对磁性复合物微冲头会产生吸引力，在吸引力的驱动下，可伸缩微单元实现轴向的伸展运动，完成可重构柔性模具的制备；
4)基于可重构柔性模具的曲面微米柱制造：在电磁铁和表面覆盖有液滴状复合材料溶液的磁性复合物微冲头之间放置一个任意曲面样品；然后调节电磁铁输入电流0.5～5A以改变磁场力大小，驱动顶端带有磁性复合物微冲头的可伸缩微单元拉伸运动，可伸缩微单元会自适应曲面的形貌，当磁性复合物微冲头与曲面样品接触时，可伸缩微单元即完成拉伸运动；保持电磁铁工作，停止加热，等可伸缩微单元自身温度低于热塑性形状记忆聚合物转变温度为Tg时，可伸缩微单元会固化成型，此时对曲面样品进行50～65℃预加热处理；然后提升可重构柔性模具，液滴状复合材料溶液会被拉伸为形状均一的复合材料微米柱阵列；常温固化复合材料微米柱阵列；然后浸没在装有溶解剂的液槽中溶解粘合剂涂层实现可重构柔性模具与复合材料微米柱阵列的分离，获得曲面复合材料微米柱阵列的制造；
5)可重构柔性模具恢复到初始形貌：对清洗干净的可重构柔性模具进行加热，加热温度大于热塑性形状记忆聚合物转变温度为Tg，高低不一的可伸缩微单元会自动恢复到原始高低均一的形貌。
2.根据权利要求1所述的一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法，其特征在于：所述的步骤1)中的热塑性弹性体为D.E.R 354、PU(聚氨酯)、SIS(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物)，或是其中任意几个热塑性弹性体混合物；小分子结晶物质为石蜡或有机酸；导热改性剂为碳纳米管、石墨烯或金纳米粒子。
3.根据权利要求1所述的一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法，其特征在于：所述的步骤2)中聚合物为氟树脂、PDMS或PMMA；磁性粒子为铁纳米粒子、钴粉或氧化铁纳米粒子的磁性颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中粘合剂为水溶胶或AB胶；树脂为SU-8光刻胶、聚乙烯或PDMS。
5.根据权利要求1所述的一种基于可重构柔性模具的曲面微米柱的制造方法，其特征在于：所述的步骤4)中溶解剂为酒精或丙酮。
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