CN107954392A - Pdms变周期环形微褶皱结构的制备方法 - Google Patents

Pdms变周期环形微褶皱结构的制备方法 Download PDF

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李红叶
彭丽娜
张翔
王良玉
黄元申
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Abstract

本发明涉及一种PDMS变周期环形微褶皱结构的制备方法，首先制备PDMS软薄膜；将制备好的薄膜剪裁为圆形；将剪裁后的圆形薄膜固定于一个具有圆形孔洞的夹具上，然后从该孔洞使用预先定制特定角度的角锥将所述薄膜顶推形成锥状结构；将低压汞灯（含有两种波长的光，185nm和254nm）水平固定于步进电机上，且置于锥状结构上端；对上述形成的锥状结构均匀照射一定时间，在PDMS软膜表面形成一层厚度不同的SiOx硬膜，之后取消顶推，使所述软硬两层薄膜表面形成变周期环形微褶皱结构，完成制备，并且形成的结构为中心疏边缘密的同心圆环褶皱。该方法具有操作简单，制备周期短，成本低的优点，可以用作菲涅尔透镜和菲涅尔波带片。

Description

PDMS变周期环形微褶皱结构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种光学及微加工技术，尤其是一种PDMS变周期环形微褶皱结构的制备方法。
背景技术
褶皱现象在自然界、工业界和日常生活处处可见，比如地质构造中的褶皱、造纸工艺中的褶皱和人类皮肤上的褶皱等。在过去十几年里对褶皱形成的理解有了很大的发展，最常用的模型是双层膜，它是由一层软的弹性体厚基底(如聚二甲基硅氧烷PDMS)和其表面沉积的硬薄膜层构成。最常用的软的弹性体基底为PDMS，形成褶皱的基本原理为在PDMS表面形成一层薄薄的类氧化硅层，然后释放预拉伸应力，由于类氧化硅层比PDMS具有更高的弹性模量和抗弯曲强度，PDMS衬底收缩恢复原状，表层的类氧化硅层受到PDMS收缩压力而形成表层褶皱结构。
褶皱的一些特性吸引了大家利用自组装构造一系列不同表面图案的极大兴趣，而且形成的表面图案可应用于不同的领域，包括可调谐光学设备、响应性微流控通道、微透镜阵列、薄膜测量、可切换润湿性和干燥附着力、柔性电子产品等。
褶皱的制备方法很多，根据诱导方式不同主要有以下三类：第一种，热诱导方式。该体系多为双层膜系统，利用两种材料的热膨胀系数不同，在升温或降温时使表层薄膜形成褶皱。由于膨胀和收缩时材料形变是各向同性的，所形成的褶皱图案多为随机分散排布的。第二种，溶胀诱导方式。就像长时间浸泡在水中的手指表皮会发生褶皱一样，溶胀对于双层膜体系提供了另一种产生褶皱的方法。利用两种材质在溶剂中体积膨胀系数不同，表面薄膜形成褶皱。第三种，机械力诱导方式。这是目前研究较多的方法，是在柔性聚合物表面制备硬质薄膜材料，通过拉伸、挤压、弯曲或者冷缩衬底，使其上的硬质薄膜形成有序可控褶皱。低弹性模量的柔性材料，目前使用最多的是聚二甲基硅氧院，因为这种材料具有高弹性。但这种方式多为单轴拉伸方式，两轴拉伸及多轴拉伸时，不易控制表面褶皱的规则有序性，并且通常形成的褶皱其周期是固定不变的。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种PDMS变周期环形微褶皱结构的制备方法。
本发明的技术方案是：一种PDMS变周期环形微褶皱结构的制备方法，包括以下步骤：
1)制备PDMS软膜
将PDMS预聚物和固化剂按10:1的比例混合，搅拌均匀后放置于真空干燥箱中，保持抽真空状态直至液体无气泡为止，然后将抽好真空的PDMS液体倒在玻璃基底表面，在100℃下加热固化2小时，再将其冷却，冷却后将PDMS从玻璃基底上揭下来，然后剪裁成圆形PDMS备用；
2)对制作好的圆形PDMS软膜进行拉伸
将圆形PDMS膜固定在具有圆形孔洞的夹具上，用预先特定角度的角锥顶推使其形成锥状结构；
3)对拉伸形成的锥状PDMS膜进行光辐照射
将低压汞灯固定于步进电机上，并置于锥状PDMS膜的上端，使其距离锥状PDMS膜顶部3mm-8mm，对锥状PDMS膜均匀照射40min-160min；低压汞灯采用185nm波长的光辐射产生臭氧，254nm波长的光辐射将臭氧解离成氧气和氧原子，使得在PDMS膜表层形成类氧化硅硬膜；
4)对光辐照射后的锥状PDMS膜释放顶推力，使锥状PDMS膜释表面形成变周期环形微褶皱结构，褶皱的周期范围是50μm-160μm，并且形成的结构为中心疏边缘密的同心环形褶皱。
所述锥状PDMS膜的圆环形微褶皱结构所形成的褶皱的周期模型为：
其中hf为表层形成的类氧化硅刚性层的厚度，εpre为预应变，δ为形成褶皱的临界应变，E表示弹性模量，θ表示泊松比，角标s、f分别代表PDMS软膜、表面形成的类氧化硅刚性层。
本发明的有益效果是：
本发明通过角锥方式对PDMS膜进行多轴拉伸，使用低压汞灯对其表面改性，实现表面微褶皱结构的有序性，并且通过控制PDMS膜的不同位置与低压汞灯的距离，最终实现变周期环形微褶皱结构的目的。本发明提供的技术方案工艺流程简单，制作成本低，周期短，可以用作菲涅尔透镜和菲涅尔波带片。
附图说明
图1为本发明的PDMS变周期环形微褶皱结构制备方法的整体结构示意图；
图2为本发明的PDMS变周期环形微褶皱结构制备方法步骤三中使用结构示意图；
图3为本发明所制备的变周期环形微褶皱结构的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图与实施对本发明作进一步说明。
一种PDMS变周期环形微褶皱结构的制备方法，步骤如下：
(1)制备PDMS软膜。将PDMS预聚物和固化剂按10:1的比例混合，搅拌均匀后放置于真空干燥箱中，保持抽真空状态直至液体无气泡为止。然后将抽好真空的PDMS液体倒在玻璃基底表面，在100℃下加热固化2小时，再将其冷却。冷却后将PDMS从玻璃基底上揭下来，然后剪裁成圆形PDMS备用。
(2)制作好的圆形PDMS膜进行拉伸。将圆形PDMS膜固定在具有圆形孔洞的夹具1(图1)上，然后从孔洞用预先特定角度的角锥顶2推使其圆形PDMS膜3形成锥状结构。
(3)处理步骤(2)中形成的锥状PDMS膜3。将低压汞灯4固定于步进电机上(图1，2)，并置于锥状PDMS膜3的上端，使其距离锥状PDMS膜3顶部3mm-8mm，对锥状PDMS膜3均匀照射40min-160min。低压汞灯包含有两种波长的光，185nm波长的光辐射产生臭氧，254nm波长的光辐射将臭氧解离成氧气和氧原子，后者是与PDMS反应的主要物质，PDMS膜经过沿图2中所示箭头方向左右移动的低压汞灯均匀照射之后，在其表层形成一层不等厚的类氧化硅硬膜5。
(4)对步骤(3)处理后的锥状PDMS膜3释放顶推力，在其表面形成变周期环形微褶皱结构，褶皱的周期范围是50μm-160μm，并且形成的结构为中心疏边缘密的同心环形褶皱(图3)。
步骤(2)中使用角锥夹具顶推PDMS膜，实现对PDMS膜的径向预拉伸，步骤(3)中使用低压汞灯照射拉伸后的PDMS膜，在其表面形成一层薄的类氧化硅刚性层，释放顶推力，使得两层膜在径向收缩，由于两层膜的弹性模量相差较大，所以在PDMS膜恢复原状时，会形成圆环形微褶皱结构。形成褶皱的周期模型为
其中hf为表层形成的类氧化硅刚性层的厚度，εpre为预应变，δ为形成褶皱的临界应变，E表示弹性模量，θ表示泊松比，角标s、f分别代表PDMS软膜、表面形成的类氧化硅刚性层。步骤3)中对锥状PDMS膜水平均匀照射，通过角锥方式拉伸使得PDMS膜的不同位置与低压汞灯距离不同，在照射相同时间时，在其表层形成的类氧化硅刚性层厚度会不同，距离低压汞灯近时，表层类氧化硅刚性层较薄，距离远时，类氧化硅刚性层较厚，根据上述周期公式可以得出释放顶推力后，由于PDMS膜由中心到边缘距离低压汞灯是逐渐增大的，所以最终会形成中心疏边缘密的环形微褶皱结构。

Claims (2)

1.一种PDMS变周期环形微褶皱结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备PDMS软膜
将PDMS预聚物和固化剂按10:1的比例混合，搅拌均匀后放置于真空干燥箱中，保持抽真空状态直至液体无气泡为止，然后将抽好真空的PDMS液体倒在玻璃基底表面，在100℃下加热固化2小时，再将其冷却，冷却后将PDMS从玻璃基底上揭下来，然后剪裁成圆形PDMS备用；
2)对制作好的圆形PDMS软膜进行拉伸
将圆形PDMS膜固定在具有圆形孔洞的夹具上，用预先特定角度的角锥顶推使其形成锥状结构；
3)对拉伸形成的锥状PDMS膜进行光辐照射
将低压汞灯固定于步进电机上，并置于锥状PDMS膜的上端，使其距离锥状PDMS膜顶部3mm-8mm，对锥状PDMS膜均匀照射40min-160min；低压汞灯采用185nm波长的光辐射产生臭氧，254nm波长的光辐射将臭氧解离成氧气和氧原子，使得在PDMS膜表层形成类氧化硅硬膜；
4)对光辐照射后的锥状PDMS膜释放顶推力，使锥状PDMS膜释表面形成变周期环形微褶皱结构，褶皱的周期范围是50μm-160μm，并且形成的结构为中心疏边缘密的同心环形褶皱。
2.根据权利要求1所述的PDMS变周期环形微褶皱结构的制备方法，其特征在于：所述锥状PDMS膜的圆环形微褶皱结构所形成的褶皱的周期模型为：
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其中hf为表层形成的类氧化硅刚性层的厚度，εpre为预应变，δ为形成褶皱的临界应变，E表示弹性模量，θ表示泊松比，角标s、f分别代表PDMS软膜、表面形成的类氧化硅刚性层。
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