CN106808677B - 一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺方法，特征是热压印模具在整个压印周期保持恒温，上下半模的设定温度不同，通过差温模式，解决微纳结构的顺利充模和脱模问题，尤其适用于具有单面微纳结构的聚合物制品的快速热压印。将有微纳结构一侧的模具温度设为较高值、无结构一侧的设为较低值。热压印初期，与高温半模接触的聚合物基片，迅速升至较高的温度并完成充模；在保压阶段，低温半模对聚合物基片进行冷却，使成型好的微纳结构定型，以利于脱模。该工艺避免反复加热冷却模具消耗能量，同时显著缩短热压印的成型周期；成型过程可控性高，成型精度高、整体一致性好；聚合物制品粘模现象得到明显改善，有效避免脱模缺陷的产生。

Description

一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺
技术领域
本发明涉及一种平板热压印的工艺方法，是一种利用聚合物类固态状态下的弹塑性变形进行快速成型的聚合物微纳结构差温平板热压印工艺。
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。平板热压印技术是制备聚合物微纳结构器件的主要的工艺方法之一，其具有微纳结构复制率高，成型精度高的特点。
平板热压印一般采用等温热压印工艺，即模具和聚合物温度保持一致，共同经历加热、压印、冷却、脱模四步完成热压印过程。热压过程中模具需经历反复的加热冷却，耗时严重，延长了平板热压印的工艺周期；另外，模具冷却不足容易导致脱模缺陷的发生。以上缺点均为平板热压印过程中尚未解决的技术难题。
发明内容
本发明是一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，通过利用聚合物类固态状态下的弹塑性形变完成微纳结构的成型。该方法的特征是热压印模具在整个压印周期保持恒温，但上下半模的设定温度不同，通过差温模式，可以解决微纳结构的顺利充模和脱模问题，尤其适用于具有单面微纳结构的聚合物制品的快速热压印。实施过程中，将有微纳结构一侧的模具温度设为较高值、无结构一侧的模具温度设为较低值。当上下模具设定较大的温差，热压印初期，与高温半模接触的聚合物基片，迅速升至较高的温度并完成充模；在保压阶段，低温半模对聚合物基片进行冷却，使成型好的微纳结构定型，以利于随后的脱模。该方法尤其适用于具有单面微纳结构的聚合物制品的快速压印与脱模。热压印过程中模具保持恒温以避免反复加热冷却造成的耗时，以此实现大幅度缩短平板热压印工艺周期的目的；将有微纳结构一侧的模具温度设为高值、无结构一侧的模具温度设为低值，以此解决脱模过程中的粘模现象。。
本发明是一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，该压印工艺分为非结晶型聚合物热压印工艺和结晶型聚合物压印工艺，在进行非结晶型聚合物热压印时，包括如下步骤:
(1)预热：非结晶型聚合物预热到其Tg以上1℃～20℃，预热过程保证聚合物整体温度分布均匀；
(2)压印：有微纳结构一侧的模具温度设置为所压印的非结晶型聚合物的Tg以上5℃～35℃，无结构一侧的模具温度设置为所压印的非结晶型聚合物的Tg以下5℃～35℃，保证模具表面温度分布均匀，模具对放置好的聚合物基材进行热压印；
(3)保压：在1MPa～10MPa的压印压力下保持10s～100s，使基片充分充模和定型；
(4)脱模：热压印微纳结构填充完成后，模具温度保持不变，直接脱模，得到表面具有微纳结构的聚合物器件。
本发明是一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，在进行结晶型聚合物热压印时，包括如下步骤:
(1)预热：结晶型聚合物预热到其结晶熔点Tm以下40℃～60℃，预热过程保证聚合物整体温度分布均匀；
(2)压印：有微纳结构一侧的模具温度设置为所压印的结晶型聚合物的Tm以下20℃～50℃，无结构一侧的模具温度设置为所压印的结晶型聚合物的Tm以下50℃～80℃，保证模具表面温度分布均匀，模具对放置好的聚合物基材进行热压印；
(3)保压：在1MPa～10MPa的压印压力下保持10s～100s，使基片充分充模和定型；(4)脱模：热压印微纳结构填充完成后，模具温度保持不变，直接脱模，得到表面具有微纳结构的聚合物器件。
根据制品材料及厚度、工艺选择、微纳结构尺度及形状的不同，在进行非结晶型聚合物热压印过程中可根据实际情况省去预热过程。
本发明是一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，在进行非结晶型聚合物热压印过程中模具的温度保持恒定。
本发明是一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，在进行非结晶型聚合物热压印过程中聚合物微纳结构成型以类固态状态下的弹塑性变形为主。
本发明是一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，在进行非结晶型聚合物热压印过程中平板模具的温度设置为聚合物微纳结构制品不粘附模具的最高温度，根据材料的不同，可通过实验获得；热压印过程中平板模具的压力设置为1Mpa～10Mpa，热压印时间设置为10s～100s。
本发明是一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，在进行非结晶型聚合物热压印过程中的非结晶型聚合物包括PMMA、PC、PS、PVC、PES等；聚合物基材样式包括薄板、薄片、薄膜等。
本发明是一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，在进行结晶型聚合物热压印过程中的结晶型聚合物包括PP、PE、PA、PET、POM等；聚合物基材样式包括薄板、薄片、薄膜等。
本发明的有益效果是：
本发明是一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，与传统热压印工艺相比其有益效果为：
(1)简化了平板热压印工艺，显著缩短了平板热压印周期，实现了快速平板热压印；
(2)聚合物微纳结构成型过程主要利用聚合物类固态状态下的弹塑性变形，整个成型过程更加可控，微纳结构成型精度高、整体一致性好；
(3)本工艺巧妙利用两侧模具的温差，达到了兼顾聚合物微纳结构成型性能和制品脱模性能的目的，同时通过适当的保压时间使成型内应力充分松弛，提高微纳结构的几何稳定性。
(4)本工艺较传统热压印工艺的压印温度低，因聚合物与模具热收缩率不同造成的脱模缺陷小。
本发明是一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，该工艺同样可延伸应用于辊对辊式和辊对平板式热压印加工中。
附图说明
图1为本发明中适用于非结晶型聚合物(执行预热过程)的温度压力工艺控制曲线，图中T1为有微纳结构一侧模具温度，T2为无结构一侧模具温度；
图2为本发明中适用于非结晶型聚合物(省去预热过程)的温度压力工艺控制曲线，图中T1为有微纳结构一侧模具温度，T2为无结构一侧模具温度；
图3为本发明中适用于结晶型聚合物(执行预热过程)的温度压力工艺控制曲线，图中T1为有微纳结构一侧模具温度，T2为无结构一侧模具温度；
图4为本发明中适用于结晶型聚合物(省去预热过程)的温度压力工艺控制曲线，图中T1为有微纳结构一侧模具温度，T2为无结构一侧模具温度。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明工艺方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供的以1mm厚度PMMA(Tg＝105℃)薄板为基材的微纳结构热压印方法，所用微纳结构模具表面为特征尺寸为25μm的V-Cut结构，包括以下步骤：
(1)预热：PMMA基材预热到110℃，预热过程保证聚合物受压表面温度分布均匀；
(2)压印：有V-Cut结构一侧的模具温度设置为120℃，无结构一侧的模具温度设置为100℃，保证模具表面温度分布均匀，平板模具对预热好的聚合物基材进行压印，压印压力设置为4Mpa，压印时间设置为30s；
(3)脱模：热压印微纳结构填充完成后，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。
实施例2
本实施例提供的以0.25mm厚度PC(Tg＝150℃)薄片为基材的微纳结构热压印方法，所用微纳结构模具表面为直径为40μm的半球结构，包括以下步骤：
(1)压印：有半球结构一侧的模具温度设置为160℃，无结构一侧的模具温度设置为140℃，保证模具表面温度分布均匀，模具直接对常温的PC基材进行热压印，压印压力设置为8Mpa，压印时间设置为60s；
(2)脱模：热压印完成后，模具温度保持不变，直接脱模，得到表面具有半球微结构的聚合物器件。
实施例3
本实施例提供的以1mm厚度PMMA(Tg＝105℃)薄板为基材的微纳结构热压印方法，所用微纳结构模具表面为特征尺寸为200nm的纳米圆柱结构，包括以下步骤：
(1)预热：PMMA基材预热到110℃，预热过程保证聚合物受压表面温度分布均匀；
(2)压印：有纳米圆柱结构一侧的模具温度设置为125℃，无结构一侧的模具温度设置为95℃，保证模具表面温度分布均匀，模具直接对常温的PMMA基材进行热压印，压印压力设置为10Mpa，压印时间设置为90s；
(3)脱模：热压印微纳结构填充完成后，模具温度保持不变，直接脱模，得到表面具有纳米圆柱结构的聚合物器件。
实施例4
本实施例提供的以2mm厚度PP(Tm＝167℃)薄板为基材的微纳结构热压印方法，所用微纳结构模具表面为特征尺寸为25μm的V-Cut结构，包括以下步骤：
(1)预热：PP基材预热到125℃，预热过程保证聚合物受压表面温度分布均匀；
(2)压印：有V-Cut结构一侧的模具温度设置为140℃，无结构一侧的模具温度设置为100℃，保证模具表面温度分布均匀，平板模具对预热好的聚合物基材进行压印，压印压力设置为4Mpa，压印时间设置为20s；
(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。
实施例5
本实施例提供的以0.25mm厚度PP(Tm＝153℃)薄片为基材的微纳结构热压印方法，所用微纳结构模具表面为特征尺寸为25μm的V-Cut结构，包括以下步骤：
(1)压印：有V-Cut结构一侧的模具温度设置为125℃，无结构一侧的模具温度设置为90℃，保证模具表面温度分布均匀，模具直接对常温的PP基材进行热压印，压印压力设置为10Mpa，压印时间设置为60s；
(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。
以上所述仅为本发明的典型常用材料的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，其特征在于：该压印工艺分为非结晶型聚合物热压印工艺和结晶型聚合物压印工艺，具体工艺如下：
非结晶型聚合物压印工艺：
(1)预热：非结晶型聚合物基片预热到其玻璃化转变温度Tg以上1℃～20℃，预热过程保证聚合物基片表面温度分布均匀；
(2)压印：有微纳结构一侧的模具温度设置为所压印的非结晶型聚合物的Tg以上5℃～35℃，无结构一侧的模具温度设置为所压印的非结晶型聚合物的Tg以下5℃～35℃，保证模具表面温度分布均匀，对放置好的聚合物基片进行热压印；
(3)保压：在1MPa～10MPa的压印压力下保持10s～100s，使基片充分充模和定型；
(4)脱模：模具温度保持恒定不变，直接脱模，得到表面具有微结构的聚合物器件；
结晶型聚合物压印工艺：
(1)预热：结晶型聚合物预热到其结晶熔点Tm以下40℃～60℃，预热过程保证聚合物基片温度分布均匀；
(2)压印：有微纳结构一侧的模具温度设置为所压印的结晶型聚合物的Tm以下20℃～50℃，无结构一侧的模具温度设置为所压印的结晶型聚合物的Tm以下50℃～80℃，保证模具表面温度分布均匀，模具对放置好的聚合物基片进行热压印；
(3)保压：在1MPa～10MPa的压印压力下保持10s～100s，使基片充分充模和定型；
(4)脱模：模具温度保持恒定不变，直接脱模，得到表面具有微结构的聚合物器件。
2.根据权利要求1所述的一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，其特征在于：以聚合物制品脱模时不粘附模具为基本要求，其上下模具温差可根据基材种类及厚度、微纳结构尺寸及形状的不同来确定，温差范围为5℃～60℃。
3.根据权利要求1所述的一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，其特征在于：热压印的压力为1～10MPa，时间为10s～100s。
4.根据权利要求1所述的一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，其特征在于：所述的非结晶型聚合物包括PMMA、PC、PS、PVC、PES；聚合物形状可为薄板、薄片、薄膜等。
5.根据权利要求1所述的一种快速聚合物微纳结构差温平板热压印工艺，其特征在于：所述的结晶型聚合物包括PP、PE、PA、PET、POM。
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