CN109110728A - 基于离心力的微纳结构复制方法及制备得到的聚合物微纳结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳结构复制技术领域，尤其是涉及一种基于离心力的微纳结构复制方法及制备得到的聚合物微纳结构。所述基于离心力的微纳结构复制方法，包括如下步骤：聚合物置于微纳结构模板上，加热至温度T，离心填充；降温使聚合物冷却，脱模；其中，所述温度T大于所述聚合物的玻璃化转变温度Tg。本发明无需使用昂贵的设备，利用离心力使聚合物充分填充于微纳结构模板的间隙，从而实现微纳结构的复制；加热条件下，使聚合物具备足够的流动性，利用离心力，以填充于微纳结构模板的空隙，完成填充后，通过降温冷却，即可使聚合物重新恢复玻璃态，脱模即完成微纳结构的复制。
Description
技术领域
本发明涉及微纳结构复制技术领域，尤其是涉及一种基于离心力的微纳结构复制方法及制备得到的聚合物微纳结构。
背景技术
微纳制造技术是在微米、纳米级尺度上对材料进行制造加工的技术，是微纳结构、微器件和微纳系统制造的基本手段和重要基础。微米级尺度的制造技术主要是微机械加工与激光刻写等，而纳米级尺度的制造技术主要包括自组装技术与基于半导体的光刻技术。
光刻技术中的光学光刻、离子束光刻、X射线光刻、反应离子刻蚀以及纳米压印光刻技术都属于对掩模板的微纳米结构复制技术。例如，光学光刻是让强光通过光学掩模板打到涂有光刻胶的衬底上，只有被照射到的部分光刻胶发生交联反应负胶或降解反应，从而在光刻胶上形成图案。纳米压印光刻技术，是利用气体压力使聚合物或光刻胶复制压印模板的微纳结构。纳米压印技术是一种高产率和高分辨率的光刻技术，是超精细加工技术领域的研究热点。
然而，通过上述技术实现微纳结构的复制过程，需要使用昂贵仪器，制备成本高。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种基于离心力的微纳结构复制方法，工艺简单，不需要昂贵的设备，以解决现有技术中存在的成本高等技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种所述基于离心力的微纳结构复制方法制备得到的聚合物微纳结构，所述聚合物微纳结构可广泛用于微纳器件，特别是柔性及透明微纳器件领域。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种基于离心力的微纳结构复制方法，包括如下步骤：
聚合物置于微纳结构模板上，加热至温度T，离心填充；
降温使聚合物冷却，脱模；
其中，所述温度T大于所述聚合物的玻璃化转变温度Tg。
本发明所述的基于离心力的微纳结构复制方法，无需使用昂贵的设备，将聚合物加热至玻璃化转变温度之上，使聚合物具备足够的流动性，配合离心力的外力作用，使聚合物充分填充于微纳结构模板的间隙，从而实现微纳结构的复制；采用上述加热条件下，使聚合物具备足够的流动性，利用离心作用，以填充于微纳结构模板的空隙，完成填充后，通过简单的降温冷却，即可使聚合物重新恢复玻璃态，形状稳定，脱模，即得到基于聚合物的微纳结构，完成微纳结构的复制。
优选的，所述聚合物包括热塑性聚合物。如根据不同需求，在不同实施方案中，所述聚合物可以为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛等等。所述热塑性聚合物可根据实际使用需求进行选择，不局限于此。并且，所述热塑性聚合物的分子量可根据实际需求进行选择。
优选的，通过旋涂或滴涂的方法将聚合物置于微纳结构模板上；或者将聚合物的薄膜或粉体直接置于微纳结构模板上。
优选的，所述微纳结构模板包括周期性或非周期性的微纳结构阵列。
聚合物置于微纳结构模板上，加热至玻璃化转变温度后，利用离心力的作用，聚合物填充于微纳结构模板的间隙中，从而实现微纳结构的复制。
优选的，所述离心的转速为500-150000rpm/min，优选1000-50000rpm/min，更优选为5000-16000rpm/min，如6000rpm/min。如对于微米级尺度的模板，聚合物比较容易填充于模板的间隙中，较小的转速即可实现填充。
如在不同实施例中，离心的转速可以为500rpm/min、1000rpm/min、2000rpm/min、3000rpm/min、4000rpm/min、5000rpm/min、6000rpm/min、7000rpm/min、8000rpm/min、9000rpm/min、10000rpm/min、11000rpm/min、12000rpm/min、13000rpm/min、14000rpm/min、15000rpm/min、16000rpm/min、20000rpm/min、30000rpm/min、40000rpm/min、50000rpm/min等等。
采用上述转速能够兼顾保证聚合物充分填充于微纳结构模板的空隙中，实现微纳结构的完整复制，同时，为避免离心力过大，造成的模板的损伤。
并且，配合特定聚合物的种类和加热温度，对离心的转速进行调整，能够兼顾充分填充形成微纳结构的复制和脱模过程。
优选的，所述离心的时间为5-30min，优选为10-20min，如15min、20min等等。
优选的，采用离心机进行离心填充。更优选的，所述离心机包括水平转子离心机、角转子离心机、垂直转子离心机及区带转子离心机中的任一种。
优选的，加热至温度T，使所述聚合物具有流动性。更优选的，所述温度T≥Tg+20℃，优选T≥Tg+30℃，更优选T≥Tg+40℃，进一步优选T≥Tg+50℃，优选的，所述温度T高于Tg 50-100℃。
如针对不同的聚合物，加热至玻璃化转变温度之上，使聚合物具有流动性，在离心力的作用下，充分填充于微纳结构模板的空隙中，实现微纳结构的复制。
如采用聚甲基丙烯酸甲酯聚合物，加热至130-180℃，可配合6000-10000rpm/min的离心转速，完成聚合物的填充；如在加热至180℃时，可采用6000rpm/min的离心转速，如在加热至130℃时，可采用10000rpm/min的离心转速等。
如采用聚苯乙烯聚合物，加热至120-200℃，可配合5000-16000rpm/min的离心转速，完成聚合物的填充；如在加热至200℃时，可采用5000rpm/min的离心转速，如在加热至120℃时，可采用16000rpm/min的离心转速等。
又比如采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，加热至120-180℃，可配合5000-16000rpm/min的离心转速，完成聚合物的填充；如在加热至180℃时，可采用5000rpm/min的离心转速，如在加热至120℃时，可采用16000rpm/min的离心转速等。
采用上述加热温度，配合离心转速赋予相应的离心力，能够保证聚合物于离心条件下充分填充于微纳结构模板的空隙中，完成微纳结构的完整复制。
优选的，所述降温包括：降温至温度低于Tg。更优选的，降温至温度＜Tg-30℃，优选＜Tg-40℃，更优选＜Tg-50℃。
降温至上述温度范围，能够充分保证所述聚合物恢复至玻璃态，保持微纳结构复印的形状，完成微纳结构复制。
优选的，所述脱模的方法包括机械脱模和化学脱模中的任一种。更优选的，所述机械脱模包括将微纳结构模板与固化的聚合物物理分离。所述化学脱模包括采用溶液溶解除去微纳结构模板。更优选的，如采用氧化铝等模板时，所述溶液可采用氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液中的一种或两种。
本发明所采用的微纳结构模板可根据实际需求进行选择，如可选氧化铝模板、硅基模板和金属基模板等，但不局限于此。
优选的，所述基于离心力的微纳结构复制方法，包括如下步骤：
(a)聚合物置于微纳结构模板上，加热至温度T≥Tg+20℃，于500-150000rpm/min转速下离心填充；
(b)保温离心5-30min后，降温；
(c)降至温度＜Tg-30℃时，停止离心，脱模，将微纳结构模板与聚合物分离。
本发明还提供了一种聚合物微纳结构，其为采用前述任一种所述基于离心力的微纳结构复制方法制备得到的聚合物微纳结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明无需使用昂贵的设备，将聚合物加热至玻璃化转变温度之上，配合离心力的外力作用，使聚合物充分填充于微纳结构模板的间隙，从而实现微纳结构的复制；采用上述加热条件下，使聚合物具备足够的流动性，利用离心作用，以填充于微纳结构模板的空隙，完成填充后，通过降温冷却，即可使聚合物重新恢复玻璃态，形状稳定，脱模，即得到基于聚合物的微纳结构，完成微纳结构的复制；
(2)本发明对加热和离心条件进行了进一步的限定，使得加热温度配合离心力，保证聚合物充分填充于微纳结构模板的空隙中，完成微纳结构的完整复制；
(3)本发明所述的微纳结构复制方法工艺简单，成本低，适用性广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的微纳结构模板与聚合物的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的脱模过程的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的脱模过程的结构示意图。
附图标记：
1-微纳结构模板；2-聚合物。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明提供了一种基于离心力的微纳结构复制方法，包括如下步骤：
聚合物置于微纳结构模板上，加热至温度T，离心填充；
降温使聚合物冷却，脱模；
其中，所述温度T大于所述聚合物的玻璃化转变温度Tg。
本发明所述的基于离心力的微纳结构复制方法，无需使用昂贵的设备，将聚合物加热至玻璃化转变温度之上，使聚合物具备足够的流动性，配合离心力的外力作用，使聚合物充分填充于微纳结构模板的间隙，从而实现微纳结构的复制；采用上述加热条件下，使聚合物具备足够的流动性，利用离心作用，以填充于微纳结构模板的空隙，完成填充后，通过简单的降温冷却，即可使聚合物重新恢复玻璃态，形状稳定，脱模，即得到基于聚合物的微纳结构，完成微纳结构的复制。
在本发明一优选实施方式中，所述聚合物包括热塑性聚合物。如根据不同需求，在不同实施方案中，所述聚合物可以为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛等等。所述热塑性聚合物可根据实际使用需求进行选择，不局限于此。
在本发明一优选实施方式中，通过旋涂或滴涂的方法将聚合物置于微纳结构模板上；或者将聚合物的薄膜或粉体直接置于微纳结构模板上。
在本发明一优选实施方式中，所述微纳结构模板包括多个凸部及多个凹槽。
聚合物置于微纳结构模板上，加热至玻璃化转变温度后，利用离心力的作用，聚合物填充于微纳结构模板的间隙中，从而实现微纳结构的复制。
在本发明一优选实施方式中，所述离心的转速为500-150000rpm/min，优选1000-50000rpm/min，更优选为5000-16000rpm/min，如6000rpm/min。如对于微米级尺度的模板，聚合物比较容易填充于模板的间隙中，较小的转速即可实现填充。
采用上述转速能够兼顾保证聚合物充分填充于微纳结构模板的空隙中，实现微纳结构的完整复制，同时，为避免离心力过大，造成的模板的损伤。
并且，配合特定聚合物的种类和加热温度，对离心的转速进行调整，能够兼顾充分填充形成微纳结构的复制和脱模过程。
在本发明一优选实施方式中，所述离心的时间为5-30min，优选为10-20min，如15min、20min等等。
在本发明一优选实施方式中，采用离心机进行离心填充。更优选的，所述离心机包括水平转子离心机、角转子离心机、垂直转子离心机及区带转子离心机中的任一种。
在本发明一优选实施方式中，加热至温度T，使所述聚合物具有流动性。更优选的，所述温度T≥Tg+20℃，优选T≥Tg+30℃，更优选T≥Tg+40℃，进一步优选T≥Tg+50℃，优选的，所述温度T高于Tg 50-100℃。
如针对不同的聚合物，加热至玻璃化转变温度之上，使聚合物具有流动性，在离心力的作用下，充分填充于微纳结构模板的空隙中，实现微纳结构的复制。
如采用聚甲基丙烯酸甲酯聚合物，加热至130-180℃，可配合6000-10000rpm/min的离心转速，完成聚合物的填充；如在加热至180℃时，可采用6000rpm/min的离心转速，如在加热至130℃时，可采用10000rpm/min的离心转速等。
如采用聚苯乙烯聚合物，加热至120-200℃，可配合5000-16000rpm/min的离心转速，完成聚合物的填充；如在加热至200℃时，可采用5000rpm/min的离心转速，如在加热至120℃时，可采用16000rpm/min的离心转速等。
又比如采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，加热至120-180℃，可配合5000-16000rpm/min的离心转速，完成聚合物的填充；如在加热至180℃时，可采用5000rpm/min的离心转速，如在加热至120℃时，可采用16000rpm/min的离心转速等。
采用上述加热温度，配合离心转速赋予相应的离心力，能够保证聚合物于离心条件下充分填充于微纳结构模板的空隙中，完成微纳结构的完整复制。
在本发明一优选实施方式中，所述降温包括：降温至温度低于Tg。更优选的，降温至温度＜Tg-30℃，优选＜Tg-40℃，更优选＜Tg-50℃。
降温至上述温度范围，能够充分保证所述聚合物恢复至玻璃态，保持微纳结构复印的形状，完成微纳结构复制。
在本发明一优选实施方式中，所述脱模的方法包括机械脱模和化学脱模中的任一种。更优选的，所述机械脱模包括将微纳结构模板与固化的聚合物物理分离。所述化学脱模包括采用溶液溶解除去微纳结构模板。更优选的，如采用氧化铝等模板时，所述溶液可采用氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液中的一种或两种。
本发明所采用的微纳结构模板可根据实际需求进行选择，如可选氧化铝模板、硅基模板和金属基模板等，但不局限于此。在本发明一优选实施方式中，所述微纳结构复制方法，包括如下步骤：
(a)聚合物置于微纳结构模板上，加热至温度T≥Tg+20℃，于500-150000rpm/min转速下离心填充；
(b)保温离心5-30min后，降温；
(c)降至温度＜Tg-30℃时，停止离心，脱模，将微纳结构模板与聚合物分离。
本发明还提供了一种聚合物微纳结构，其为采用前述任一种所述基于离心力的微纳结构复制方法制备得到的聚合物微纳结构。
实施例1
本实施例所述的微纳结构复制方法，步骤如下：
(1)在多孔氧化铝模板上旋涂形成聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，所述聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的厚度为0.1-2mm，如图1所示；
(2)然后将旋涂有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的多孔氧化铝模板置于离心装置中，加热升温至180℃；然后，设定离心转速为6000rpm/min，保持温度离心15min后，降温；
(3)待温度冷却至50℃时，关闭离心设备，利用氢氧化钠溶液溶解除去多孔氧化铝模板，并用去离子水反复冲洗干燥，即得聚合物的微纳米结构-即聚合物的纳米柱阵列结构，如图2所示。
实施例2
本实施例所述的微纳结构复制方法，步骤如下：
(1)将聚甲基丙烯酸甲酯粉体置于硅基的纳米柱阵列模板上；
(2)然后将添加有聚甲基丙烯酸甲酯粉体的硅基的纳米柱阵列模板置于离心装置中，加热升温至170℃，然后，设定离心转速为8000rpm/min，保持温度离心20min后，降温；
(3)待温度冷却至40℃时，关闭离心设备，然后将硅基模板剥离，即得聚合物的微纳米结构-即聚合物的纳米孔阵列结构，如图3所示。
实施例3
本实施例所述的微纳结构复制方法，步骤如下：
(1)在多孔氧化铝模板上旋涂形成聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，所述聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的厚度为0.1-2mm；
(2)然后将旋涂有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的多孔氧化铝模板置于离心装置中，加热升温至130℃；然后，设定离心转速为10000rpm/min，保持温度离心20min后，降温；
(3)待温度冷却至50℃时，关闭离心设备，利用氢氧化钠溶液溶解除去多孔氧化铝模板，并用去离子水反复冲洗干燥，即得聚合物的微纳米结构-即聚合物的纳米柱阵列结构。
实施例4
本实施例所述的微纳结构复制方法，步骤如下：
(1)在多孔氧化铝模板上旋涂形成聚苯乙烯薄膜，所述聚苯乙烯薄膜的厚度为0.1-2mm；
(2)然后将旋涂有聚苯乙烯薄膜的多孔氧化铝模板置于离心装置中，加热升温至170℃；然后，设定离心转速为8000rpm/min，保持温度离心15min后，降温；
(3)待温度冷却至55℃时，关闭离心设备，利用氢氧化钠溶液溶解除去多孔氧化铝模板，并用去离子水反复冲洗干燥，即得聚合物的微纳米结构-即聚合物的纳米柱阵列结构。
实施例5
本实施例所述的微纳结构复制方法，步骤如下：
(1)在多孔氧化铝模板上旋涂形成聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的厚度为0.1-2mm；
(2)然后将旋涂有聚对苯二甲酸乙二醇酯的多孔氧化铝模板置于离心装置中，加热升温至150℃；然后，设定离心转速为10000rpm/min，保持温度离心15min后，降温；
(3)待温度冷却至50℃时，关闭离心设备，利用氢氧化钠溶液溶解除去多孔氧化铝模板，并用去离子水反复冲洗干燥，即得聚合物的微纳米结构-即聚合物的纳米柱阵列结构。
本发明所述的微纳结构复制方法，无需使用昂贵的设备，利用离心力使聚合物充分填充于微纳结构模板的间隙，从而实现微纳结构的复制；加热条件下，使聚合物具备足够的流动性，利用离心作用，以填充于微纳结构模板的空隙，完成填充后，通过降温冷却，即可使聚合物重新恢复玻璃态，形状稳定，脱模，即得到基于聚合物的微纳结构，完成微纳结构的复制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于离心力的微纳结构复制方法，其特征在于，包括如下步骤：
聚合物置于微纳结构模板上，加热至温度T，离心填充；
降温使聚合物冷却，脱模；
其中，所述温度T大于所述聚合物的玻璃化转变温度Tg。
2.根据权利要求1所述的基于离心力的微纳结构复制方法，其特征在于，所述聚合物包括热塑性聚合物。
3.根据权利要求1所述的基于离心力的微纳结构复制方法，其特征在于，通过旋涂或滴涂的方法将聚合物置于微纳结构模板上，或者将聚合物的薄膜或粉体直接置于微纳结构模板上；
优选的，所述微纳结构模板包括周期性或非周期性的微纳结构阵列。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于离心力的微纳结构复制方法，其特征在于，所述离心的转速为500-150000rpm/min；
优选的，所述离心的转速为1000-50000rpm/min；
更优选的，所述离心的转速为5000-16000rpm/min；
优选的，所述离心的时间为5-30min；
更优选的，所述离心的时间为10-20min。
5.根据权利要求4所述的基于离心力的微纳结构复制方法，其特征在于，采用离心机进行离心填充；
优选的，所述离心机包括水平转子离心机、角转子离心机、垂直转子离心机及区带转子离心机中的任一种。
6.根据权利要求1所述的基于离心力的微纳结构复制方法，其特征在于，加热至温度T，使所述聚合物具有流动性；
优选的，所述温度T≥Tg+20℃；
优选的，所述温度T≥Tg+30℃；
更优选的，所述温度T≥Tg+40℃；
进一步优选的，所述温度T高于Tg 50-100℃。
7.根据权利要求1所述的基于离心力的微纳结构复制方法，其特征在于，所述降温包括：降温至温度低于Tg；
优选的，降温至温度＜Tg-30℃；
更优选的，降温至温度＜Tg-40℃；
进一步优选的，降温至温度＜Tg-50℃。
8.根据权利要求1所述的基于离心力的微纳结构复制方法，其特征在于，所述脱模的方法包括机械脱模和化学脱模中的任一种；
优选的，所述机械脱模包括将微纳结构模板与固化的聚合物物理分离；
优选的，所述化学脱模包括采用溶液溶解除去微纳结构模板。
9.根据权利要求1所述的基于离心力的微纳结构复制方法，其特征在于，所述微纳结构复制方法，包括如下步骤：
(a)聚合物置于微纳结构模板上，加热至温度T≥Tg+20℃，于500-150000rpm/min转速下离心填充；
(b)保温离心5-30min后，降温；
(c)降至温度＜Tg-30℃时，停止离心，脱模，将微纳结构模板与聚合物分离。
10.采用权利要求1-9任一项所述的基于离心力的微纳结构复制方法制备得到的聚合物微纳结构。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2018
- 2018-07-25 CN CN201810824821.5A patent/CN109110728A/zh active Pending
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