CN106476260A - 压花工具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过以下制备的压花工具：形成具有限定所述压花工具的外形的非平面模具表面的模具(51，52)；在所述模具表面上沉积金或其合金层(53)；在所述金或其合金层(53)上沉积贱金属(54)，以形成具有远离所述模具表面的基本上平整的表面的贱金属层；和从所述金或其合金层和所述贱金属层(53，54)移除所述模具(51，52)，以形成一侧具有三维结构而另一侧具有基本上平整的表面的压花工具。

Description

压花工具及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种压花(embossing)工具，一种用于制备这种压花工具的组件，和一种用于制备这种压花工具的方法。
背景技术
压花工具通常由镍、铜、合金或其它类型的复合材料制成。镍是最广泛使用的用于压花机制造的材料。
存在一些与当前可得的压花工具有关的问题，尤其是压花后固化的材料或热压花的材料从压花工具的释放不完全。
有许多用于使压花工具的表面改性以降低压花工具的表面与固化的或热压花的材料之间的粘附力的方法。这些方法可包括硅烷涂布、硅氧烷树脂涂布、PTFE(聚四氟乙烯)涂布或镍-PTFE复合镀敷。不幸的是，它们全部都不能得到令人满意的结果。
可通过湿涂将硅氧烷树脂和PTFE施加到压花工具的表面。然而，在干燥和固化后，在微结构表面上的涂层的厚度均匀性差，这可能改变在压花工具上得到的微结构的形状。
当压花工具的表面上的微结构具有高的深宽比(aspect ratio)时，通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)的PTFE涂层已经表现出分散能力差，还表现出覆盖不均匀。此外，PTFE涂层的耐久性和机械强度差是另外的顾虑，尤其是如果压花工具需要广泛地用于大量生产时。
可通过电镀或化学镀(electro-less plating)工艺将镍-PTFE复合涂层施加到压花工具的表面。然而，最小的涂层厚度通常是几微米。因此，如果压花工具在其表面上具有小尺寸的微结构，尤其是窄槽，那么这种涂层可能彻底改变微结构的轮廓和深宽比，使得压花工作困难得多。
公布的第2016/0059442号美国专利申请和第104129779号台湾申请描述了一种在其表面上具有微结构的压花工具，使得用贵金属或贵金属合金涂布微结构的表面。该工具是通过首先使用常规光刻技术形成微结构，然后用贵金属或贵金属合金涂布这些微结构制备的。本发明涉及用于形成压花工具的该方法的变型，和涉及在该方法的过程中制备的结构。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于制备压花工具的方法，所述方法包括：
a)形成具有限定所述压花工具的外形的非平面模具表面的模具；
b)在所述模具表面上涂布金或其合金层；
c)在所述金或其合金层上镀敷贱金属(base metal)，以形成具有远离所述模具表面的基本上平整的表面的贱金属层；和
d)从所述金或其合金层和所述贱金属层移除所述模具，以形成一侧具有三维结构而另一侧具有基本上平整的表面的压花工具。
在一个实施方案中，随后将步骤d)中制备的所述压花工具包裹在滚筒上。所述模具可以通过以下形成：在基材上涂布光刻胶材料，将所述光刻胶材料暴露于辐射，和移除所述光刻胶的曝光的区域或未曝光的区域。
本发明还提供了一种用于制备压花工具的组件，所述组件包括：
具有非平面模具表面的模具；
设置在所述模具表面上并且贴合所述模具表面的金或其合金层；和
远离所述模具表面的在所述金或其合金层的相对侧上的贱金属层，所述贱金属层具有与所述金或其合金层接触的三维结构，和在其远离所述金或其合金层的一侧上的基本上平整的表面。
附图说明
图1A和图1B示出了一般的压花工艺。
图2示出了用于在压花工具的表面上形成微结构的现有技术的方法。
图3是贯穿如前文提到的US2016/0059442中描述的现有技术的压花工具的横截面，所述压花工具具有三维微结构和镀敷于其表面上的贵金属(例如金)。
图4示出了前文提到的US2016/0059442中描述的用于形成压花工具的方法。
图5示出了本发明的用于形成压花工具的方法。
图6A是显示由使用常规压花工具的压花工艺制造的物体的表面的照片。
图6B是显示由使用本发明的压花工具的压花工艺制造的物体的表面的照片。
具体实施方式
图1A和图1B示出了使用压花工具(11)的压花工艺，在压花工具(11)表面上有三维微结构(被圈出的)。如图1B中所示，在将压花工具(11)施加到可固化压花组合物或可热压花材料(12)，并且所述压花组合物固化(例如通过辐射)或可热压花材料通过热和压力变得有压花之后，将固化的或热压花的材料从压花工具释放(见图1B)。然而，使用常规压花工具时，由于固化的或热压花的材料与压花工具的表面之间的不希望的强粘附力，固化的或热压花的材料有时不能从工具完全释放。在这种情况下，可能有一些固化的或热压花的材料被转移至压花工具的表面或粘在压花工具的表面上，在由该工艺形成的物体上留下不均匀的表面。
如果该物体形成于诸如透明导电层或聚合物层的支撑层上，则该问题甚至更明显。如果固化的或热压花的材料与支撑层之间的粘附力比固化的或热压花的材料与压花工具的表面之间的粘附力更弱，那么固化的或热压花的材料从压花工具释放的过程就可能导致物体从支撑层分离。
在一些情况下，物体可形成于堆叠层上，而在这种情况下，如果任何两个相邻的层之间的粘附力比固化的或热压花的材料与压花工具的表面之间的粘附力更弱，那么固化的或热压花的材料从压花工具释放的过程就可以导致这两个层之间的分裂。
当固化的压花组合物或热压花的材料不能很好地贴附至某些支撑层时，上文描述的这些问题尤其是被顾虑的。例如，如果支撑层是聚合物层，则在它们中的一个是亲水的而另一个是疏水的情况下，聚合物层与固化的或热压花的压花组合物之间的粘附力弱。因此，优选的是，压花组合物和支撑层两者都是疏水的，或者两者都是亲水的。
作为实例，用于形成压花层或支撑层的合适的疏水组合物可以包括热塑性材料、热固性材料或其前驱物。热塑性材料或热固性材料前驱物的实例可以是多官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯、多官能乙烯基醚、多官能环氧化物和其低聚物或聚合物。
用于形成压花层或支撑层的合适的亲水性组合物可以包括极性低聚物或聚合物材料。如在第7,880,958号美国专利中所描述的，这样的极性低聚物或聚合物材料可以选自由以下组成的组：具有至少一个诸如硝基(-NO2)、羟基(-OH)、羧基(-COO)、烷氧基(-OR，其中R是烷基)、卤素(例如氟、氯、溴或碘)、氰基(-CN)和磺酸基(sultanate)(-SO3)等的基团的低聚物或聚合物。极性聚合物材料的玻璃化转变温度优选在约100℃以下，且更优选在约60℃以下。合适的极性低聚物或聚合物材料的具体实例可包括但不限于，聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚(甲基丙烯酸2-羟基乙酯)、多羟基官能化的聚酯丙烯酸酯(诸如BOE1025，BomarSpecialties Co,Winsted,CT)或烷氧基化丙烯酸酯，诸如乙氧基化壬基苯酚丙烯酸酯(例如，SR504,Sartomer Company)，乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(例如，SR9035,Sartomer Company)或乙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯(例如，来自Sartomer Company的SR494)。
方法1：
图2示出了一种用于在压花工具的表面上形成微结构的现有技术的方法。
本文使用的术语“压花工具”可以是压花套筒(embossing sleeve)、压花滚筒(embossing drum)或其它形式的压花工具。虽然仅有压花套筒的制备示于图2中，但该方法也可以用于制备压花滚筒。术语“压花”滚筒或套筒指的是在其外表面上具有三维微结构的滚筒或套筒。使用术语“压花滚筒”，以将其与在外表面上不具有三维微结构的平滑滚筒(plain drum)区别开。
可以直接将压花滚筒用作压花工具。当将压花套筒用于压花时，通常将其安装在平滑滚筒上，以允许压花套筒转动。
压花滚筒或套筒(21)通常是由导电材料形成的，所述导电材料如金属(例如铝、铜、锌、镍、铬、钛或钴等)、由上述金属中的任何金属得到的合金、或不锈钢。可以使用不同的材料形成滚筒或套筒。例如，滚筒或套筒的中心可以由不锈钢形成，并且将镍层夹在不锈钢和最外层之间，最外层可以是铜层。
供选择地，所述压花滚筒或套筒(21)可由其外表面上具有导电涂层或导电种晶层(seed layer)的非导电材料形成。
在滚筒或套筒(21)的外表面上涂布感光材料(22)之前，如图2的步骤B中所示，可使用精密研磨和抛光以确保滚筒或套筒的外表面的光滑度。
在步骤B中，将感光材料(22)，例如光刻胶，涂布在滚筒或套筒(21)的外表面上。感光材料可以是正型(positive tone)、负型(negative tone)或双重型(dual tone)。感光材料也可以是化学增幅型光刻胶(chemically amplified photoresist)。可以使用浸涂、喷涂或环涂(ring coating)进行涂布。在干燥和/或烘烤后，感光材料经历暴露于辐射源，如步骤C中所示。
供选择地，感光材料(22)可以是干膜光刻胶(其通常是有市售的)，其被层压到滚筒或套筒(21)的外表面上。当使用干膜时，也可将其暴露于如下文所描述的辐射源。
在步骤C中，使用合适的光源(23)，例如IR、UV、电子束或激光，以对涂布于滚筒或套筒(21)上的感光材料或层压于滚筒或套筒(21)上的干膜光刻胶(22)进行曝光。光源可以是连续光或者脉冲光。任选地使用光掩模(24)以限定待形成的三维微结构。根据微结构，曝光可以是步进式、连续式或其组合。
曝光之后显影之前，感光材料(22)可经历曝光后处理，例如烘烤。根据感光材料的类型，通过使用显影剂将移除曝光的区域或未曝光的区域。显影之后沉积(例如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积或溅射沉积)之前，在其外表面上具有图案化感光材料(25)的滚筒或套筒(如步骤D中所示)可经历烘烤或全面曝光。图案化感光材料的厚度优选大于待形成的三维微结构的深度或高度。
可以将金属或合金(例如，镍、钴、铬、铜、锌或由上述金属中的任何金属得到的合金)电镀和/或化学镀于滚筒或套筒上。将镀敷材料(26)沉积在滚筒或套筒的外表面上未被图案化感光材料覆盖的区域中。沉积厚度优选小于感光材料的厚度，如步骤E中所示。通过调节镀敷条件，例如阳极与阴极(即滚筒或套筒)之间的距离(如果使用电镀)，滚筒或套筒的转动速度和/或镀敷溶液的循环，可将沉积物在整个滚筒或套筒区域上的厚度变化控制为小于1％。
供选择地，在使用电镀以沉积镀敷材料(26)的情况下，通过在阴极(即滚筒或套筒)与阳极之间插入非导电厚度均匀器(thickness uniformer)，可以控制沉积物在滚筒或套筒的整个表面上的厚度变化，如第8,114,262号美国专利中所描述的。
在镀敷后，可通过剥离剂(例如有机溶剂或水溶液)剥离图案化感光材料(25)。可以任选地采用精密抛光，以确保沉积物(26)在整个滚筒或套筒上的可接受的厚度变化和粗糙度。
图2的步骤F示出了贯穿具有在其上形成的三维图案微结构的压花滚筒或套筒的横截面。
如上述US2016/0059442中所述，已经发现，如果用贵金属或其合金涂布压花工具的表面，则压花工具可以具有改善的释放性能。换句话说，作为在压花工具的表面上形成三维微结构之后的后处理步骤，可以将贵金属或其合金(31)涂布于压花工具的整个表面上，如图3中所示。
术语“贵金属”可以包括金、银、铂、钯和其它更不常见的金属，诸如钌、铑、锇或铱。在这些贵金属中，本发明人已经发现金及其合金在降低固化的或热压花的材料与压花工具的表面之间的粘附力方面是最有效的。当固化的或热压花的材料具有以下成分中的一种或多种时，该优点尤其明显：聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲基丙烯酸乙酯(PEMA)、聚碳酸脂(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚烯烃、聚乙烯醇缩丁醛和其共聚物。在这些固化的或热压花的材料中，特别优选基于丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的聚合物。
在本发明中，也可以使用一种或多种贵金属和非贵金属的合金。合金中合适的非贵金属可以包括但不限于，铜、锡、钴、镍、铁、铟、锌或钼。在合金中，也可以存在多于一种的贵金属和/或多于一种的非贵金属。合金中非贵金属的总重量百分比可以在0.001％-50％的范围内，优选在0.001％-10％的范围内。
可以通过电镀、化学沉积、溅射涂膜或气相沉积实现贵金属或合金的涂布。在一个实施方案中，可以在30-70℃的温度下和在3-8的pH范围内使用基于氰化物的中性金、酸性硬金或金冲击镀电解质。可以在40-70℃的温度下和在0.1-3的pH范围内用酸性氯化物电解质镀敷铂和钯。一些贵金属或其合金的碱性电解质可商购得到，且也可用于本发明。
表面上的贵金属或其合金优选具有次微米级厚度，因此其不导致对微结构的轮廓的任何显著改变。贵金属或其合金的厚度可以在0.001-10微米的范围内，优选在0.001-3微米的范围内。
方法2：
供选择地，如上述US2016/0059442中所描述的，三维微结构可以在平整基材上形成，如图4中所示。
在图4的步骤A中，将感光材料(42)涂布于基材层(41)(例如玻璃基材)上。如上所述，感光材料可以是正型、负型或双重型。感光材料也可以是化学增幅型光刻胶。可以使用浸涂、喷涂、狭缝模头涂布或旋转涂布进行涂布。在干燥和/或烘烤之后，使感光材料通过光掩模(未示出)暴露于合适的光源(未示出)。
供选择地，感光材料(42)可以是被层压于基材(41)上的干膜光刻胶(其通常是可商购的)。也可将干膜暴露于如上所述的光源。
在步骤B中，在曝光后，根据感光材料的类型，通过使用显影剂将移除感光材料的曝光区域或未曝光区域。在显影后在步骤C之前，具有剩余的感光材料(42)的基材层(41)可以经历烘烤或全面曝光。剩余的感光材料的厚度应当与待形成的三维微结构的深度或高度相同。
在步骤C中，将导电种晶层(43)涂布于剩余的感光材料(42)上和基材(41)上未被感光材料占据的区域中。导电种晶层通常由银形成。
在步骤D中，将金属或合金(44)(例如，镍、钴、铬、铜、锌或由上述金属中的任何金属得到的合金)电镀和/或化学镀于被导电种晶层覆盖的表面上，并且进行镀敷工艺直到在图案化的感光材料上有足够的镀敷的材料厚度(h)。图4中的厚度(h)优选为25-5000微米，且更优选为25-1000微米。
在镀敷后，将镀敷的材料(44)与被剥落的基材层(41)分离。感光材料(42)连同导电种晶层(43)一起被移除。可以通过剥离剂(例如有机溶剂或水溶液)将感光材料移除。可以通过酸性溶液(例如含硫/含氮混合物)或可商购的化学剥离剂将导电种晶层(43)移除，只留下一侧具有三维结构且另一侧平整的金属片(44)。
可将精密抛光应用于金属片(44)，此后，可以直接使用平滑的垫片(shim)用于压花。供选择地，可以将其安装(例如包裹)在外表面上具有三维微结构的滚筒上，以形成压花工具。
如上文所述，贵金属或其合金最终被涂布在压花工具的整个表面上。如上所述，金或其合金相比其它贵金属和合金是优选的。
方法3：
图5示出了本发明的方法。该方法与图4的方法类似，但经过简化。图5的步骤A和步骤B与图4的相应步骤相同。然而，在图5的步骤C中，涂布金或其合金层(53)而不是诸如银的导电种晶层。
因此，在图5的步骤E中，在将镀敷的材料(54)从基材(51)分离之后，只有感光材料(52)需要被移除，金或合金涂层(53)与在一侧上具有三维结构，而另一侧上是平整表面的金属片(54)保留在一起。
可以直接使用金属片用于压花。供选择地，可将其安装于滚筒上。在本发明的该方法中，不需要有单独的涂布步骤以在压花工具的表面上形成金或合金层。
本发明的压花工具适用于如第6,930,818号美国专利中所描述的微压花工艺。微压花工艺制造被间隔壁分开的杯状微单元，诸如MICROCUPS(注册商标)。这些微单元可填充有包含分散于溶剂或溶剂混合物中的带电粒子的电泳流体。填充的微单元形成电泳显示膜。当夹在电极层之间时，电泳显示膜形成电泳装置。
实施例
实施例1
在该实施例中，制备了两种压花工具(即阳模)。这些模具依据上文所述的方法中的一种由镍形成。
这些镍模具中的一种的表面未处理。在50℃的温度和pH5下，进一步用基于氰化物的镀金电解质对形成的其它镍模具进行电镀，以在其表面上得到具有0.5微米的厚度的金涂层。
为了测试这两种压花模具，制备基于水的聚合物层流体和压花组合物。聚合物层流体是根据第7,880,958号美国专利制备的，并且其具有聚乙烯醇作为主要成分。该压花组合物是根据第7,470,386号美国专利制备的，并且其具有多官能丙烯酸酯作为主要成分。
首先使用3号Meyer刮涂棒(drawdown bar)将聚合物流体涂布在PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基材上。干燥的聚合物层具有0.5微米的厚度。
用甲乙酮(MEK)稀释压花组合物，然后将其涂在PET基材的聚合物层侧上，目标干燥厚度25微米。
使用这两种压花模具，在160°F(71℃)下在50psi(350kPa)的压力下用通过PET基材背面的UV曝光(0.068J/cm2,Fusion UV,D灯)分别地对涂层进行干燥和压花。
图6A是通过使用镍压花模具制备的膜的表面的显微照片。可以看出，因为固化的材料与镍金属之间的强粘附力，得到的膜上的一些固化的材料已经被转移至镍模具或粘在镍模具上，在得到的膜上留下不均匀的表面。
使用镀金的镍模具时，固化的压花材料与金金属表面完全分开，在得到的膜上留下光滑的表面，如图6B中所示。这是由于以下事实：镀金的表面降低了模具表面与固化的材料之间的粘附力，使得模具更容易从固化的材料释放。
实施例2
在该实施例中，制备了几种压花工具(即阳模)。这些模具根据上文所述的方法中的一种由镍形成。用与实施例1中使用的电解质浴(electrolyte bath)相同的电解质浴以0.5微米的金对形成的镍模具中的一种进一步进行电镀。
对形成的镍模具中的三种进一步进行硅烷表面处理。就硅烷处理而言，将聚二甲基硅氧烷(Gelest,Inc.)添加到95％正丙醇和5％DI水的混合物中，预先用乙酸将该混合物调到pH4.5。分别制备0.25％、1％和2wt％的三种浓度的聚二甲基硅氧烷溶液。将镍模具分别浸入不同浓度的硅烷溶液中10分钟，然后在100℃下烘烤过夜，以在微结构的表面上得到硅烷涂层。
压花测试材料和条件与实施例1中所使用的测试材料和条件相同。使用镀金的镍模具时，所有的固化的压花材料完全地从金金属表面分离。然而，无论处理溶液中的聚二甲基硅氧烷浓度如何，得到的膜上的固化的压花材料多于约50％的区域已经被转移至经硅烷处理的镍模具表面或粘在经硅烷处理的镍模具表面上。
该实施例表明固化的材料从镀金的表面比从硅烷处理的表面更容易释放。

Claims (17)

1.一种用于制备压花工具的方法，所述方法包括：
a)形成具有限定所述压花工具的外形的非平面模具表面的模具；
b)在所述模具表面上沉积金或其合金层；
c)在所述金或其合金层上沉积贱金属，以形成具有远离所述模具表面的基本上平整的表面的贱金属层；和
d)从所述金或其合金层和所述贱金属层移除所述模具，以形成一侧具有三维结构而另一侧具有基本上平整的表面的压花工具。
2.根据权利要求1所述的方法，其中然后将步骤d)中制备的所述压花工具包裹在滚筒上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述模具通过以下形成：在基材上涂布光刻胶材料，将所述光刻胶材料暴露于辐射，和移除所述光刻胶的曝光的区域或未曝光的区域。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述金合金包含金和以下中的一种或多种：铜、锡、钴、镍、铁、铟、锌和钼。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述合金中的非贵金属的总重量在0.001-50％的范围内。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述合金中的非贵金属的总重量在0.001-10％的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述金或其合金层具有0.001-10微米的厚度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述金或其合金层具有0.001-3微米的厚度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述贱金属包括镍、钴、铬、铜和锌中的任一种或多种。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述贱金属层的最小厚度在25-5000微米的范围内。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述贱金属层的最小厚度在25-1000微米的范围内。
12.一种用于制备压花工具的组件，所述组件包括：
具有非平面模具表面的模具；
设置在所述模具表面上和并且贴合所述模具表面的金或其合金层；和远离所述模具表面的在所述金或其合金层的相对侧上的贱金属层，所述贱金属层具有与所述金或其合金层接触的三维结构，和在其远离所述金或其合金层的一侧上的基本上平整的表面。
13.根据权利要求12所述的组件，其中所述金合金包含金和以下中的一种或多种：铜、锡、钴、镍、铁、铟、锌和钼。
14.根据权利要求12所述的组件，其中所述合金中的非贵金属的总重量在0.001-50％的范围内。
15.根据权利要求12所述的组件，其中所述金或其合金层具有在0.001-10微米范围内的厚度。
16.根据权利要求12所述的组件，其中所述贱金属包含镍、钴、铬、铜和锌中的任一种或多种。
17.根据权利要求12所述的组件，其中所述贱金属层的最小厚度在25-5000微米的范围内。
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