CN109571983A - 一种制备三维微弧面异形结构的方法 - Google Patents

一种制备三维微弧面异形结构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三维微结构技术领域，具体涉及一种制备三维微弧面异形结构的方法。本发明在平面基底的单面涂覆填充介质后进行预固化，在所述平面基底的单面形成填充介质层；将微孔阵列模板压盖在所述填充介质层上，进行固化后脱模，得到三维微弧面异形结构。本发明通过将微孔阵列模板压盖在预固化后形成的填充介质层上，基于微毛细作用，利用来自微孔阵列模板中微孔侧壁的毛细力，使填充介质层的上表面出现下凹，从而实现三维微弧面异形结构的制备。本发明提供的方法具有效率高、成本低、流程简单的优点，不需要特定的设备与材料，同时可以根据需要调节三维微弧面异形结构的高度、形状，能够实现多种异形表面结构的制备。

Description

一种制备三维微弧面异形结构的方法
技术领域
本发明涉及三维微结构技术领域，具体涉及一种制备三维微弧面异形结构的方法。
背景技术
现今，三维微结构可以实现强湿摩擦、强干摩擦、单面防污等诸多效果，在强粘附单面、水下防污涂层以及强摩擦轮胎等领域都有很好的应用前景。传统的三维微结构加工方法如立体光刻技术、飞秒激光直写技术等，即使加工小面积的简单三维图案，都需要复杂的工艺流程、昂贵的设备以及长时间的加工才能实现。因此，如何简单地获得三维微结构成为研究者们亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备三维微弧面异形结构的方法，本发明提供的方法具有效率高、成本低、流程简单的优点，不需要特定的设备与材料，同时可以根据需要调节三维结构的高度、形状，能够实现多种异形表面结构的制备。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种制备三维微弧面异形结构的方法，包括以下步骤：
在平面基底的单面涂覆填充介质后进行预固化，在所述平面基底的单面形成填充介质层；
将微孔阵列模板压盖在所述填充介质层上，进行固化后脱模，得到三维微弧面异形结构。
优选地，所述平面基底包括玻璃、硅片或二氧化硅片。
优选地，所述微孔阵列模板中的微孔包括一级微圆柱孔、一级微方形柱孔、一级微五角星柱孔、一级微六棱柱孔、一级带沿微圆柱孔、一级带沿微六棱柱孔、二级微圆柱-微圆柱孔、二级微六棱柱-微六棱柱孔或二级微六棱柱-微圆柱孔。
优选地，所述微孔阵列模板的材质包括硅、金属或柔性聚合物材料。
优选地，所述金属包括铝或铜。
优选地，所述柔性聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物或环氧树脂。
优选地，所述填充介质包括柔性聚合物材料。
优选地，所述柔性聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物或环氧树脂。
优选地，所述预固化的温度为20～120℃，时间≤90s。
优选地，所述固化的温度为20～120℃，时间为5～15min。
本发明提供了一种制备三维微弧面异形结构的方法，包括以下步骤：在平面基底的单面涂覆填充介质后进行预固化，在所述平面基底的单面形成填充介质层；将微孔阵列模板压盖在所述填充介质层上，进行固化后脱模，得到三维微弧面异形结构。本发明通过将微孔阵列模板压盖在预固化后形成的填充介质层上，基于微毛细作用，利用来自微孔阵列模板中微孔侧壁的毛细力，使填充介质层的上表面出现下凹，从而实现三维微弧面异形结构的制备。本发明提供的方法具有效率高、成本低、流程简单的优点，不需要特定的设备与材料，同时可以根据需要调节三维结构的高度、形状，能够实现多种异形表面结构的制备。
附图说明
图1为实施例1制备一级微圆柱弧面异形结构的流程图；
图2为实施例2制备一级带沿微圆柱弧面异形结构的流程图；
图3为实施例3制备二级微六棱柱-微六棱柱弧面异形结构的流程图；
图4为实施例4制备一级微方形弧面异形结构的流程图；
图5为实施例5制备一级微五角星弧面异形结构的流程图；
图6为实施例6制备的一级微六棱柱弧面异形结构的实物图；
图7为实施例7制备的一级带沿微六棱柱弧面异形结构的实物图；
图中，11为一级微圆柱孔阵列模板，12为一级带沿微圆柱孔阵列模板，13为二级微六棱柱-微六棱柱孔阵列模板，14为一级微方形柱孔阵列模板，15为一级微五角星柱孔阵列模板；2为平面基底，21为初始填充介质层，22为一级微圆柱弧面异形填充介质层，23为一级带沿微圆柱弧面异形填充介质层，24为二级微六棱柱-微六棱柱弧面异形填充介质层；3为一级微圆柱弧面异形结构，4为一级带沿微圆柱弧面异形结构，5为二级微六棱柱-微六棱柱弧面异形结构，6为一级微方形柱弧面异形结构，7为一级微五角星柱弧面异形结构。
具体实施方式
本发明提供了一种制备三维微弧面异形结构的方法，包括以下步骤：
在平面基底的单面涂覆填充介质后进行预固化，在所述平面基底的单面形成填充介质层；
将微孔阵列模板压盖在所述填充介质层上，进行固化后脱模，得到三维微弧面异形结构。
本发明在平面基底的单面涂覆填充介质后进行预固化，在所述平面基底的单面形成填充介质层。在本发明中，所述平面基底优选包括玻璃、硅片或二氧化硅片。本发明中基底为平面是为了保证填充介质均匀涂覆与预固化，进而有利于保证三维微弧面异形结构的均匀性。
在本发明中，所述填充介质优选包括柔性聚合物材料；所述柔性聚合物材料优选包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS树脂)或环氧树脂。当采用聚二甲基硅氧烷作为填充介质时，本发明优选还需要使用固化剂；所述聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量比优选为10：(0.8～1.2)，更优选为10：1。当采用环氧树脂作为填充介质时，本发明优选还需要使用固化剂；所述环氧树脂与固化剂的质量比优选为1：(0.8～1.2)，更优选为1：1。当采用苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物作为填充介质时，本发明优选无需使用助剂。本发明对于上述填充介质和固化剂的具体型号或种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述涂覆优选为旋涂，所述旋涂的转速优选为800～1200r/min，更优选为1000～1200r/min；时间优选为55～65s，更优选为60～65s。本发明对于所述填充介质的涂覆量没有特殊的限定，保证经后续预固化和固化后形成的材料满足实际三维微弧面异形结构所需尺寸大小即可。
在本发明中，所述预固化的温度优选为20～120℃，更优选为50～100℃；时间优选≤90s，更优选为30～70s。本发明通过控制预固化的温度与时间，可以使填充介质初步固化，进而有利于通过后续固化控制填充介质在微孔阵列模板的微孔中上升的高度，最终形成顶端为弧面的异形微结构，操作简单方便。
在所述平面基底的单面形成填充介质层后，本发明将微孔阵列模板压盖在所述填充介质层上，进行固化后脱模，得到三维微弧面异形结构。本发明对于所述微孔阵列模板中微孔的形状没有特殊的限定，根据实际需要选择合适的微孔即可。在本发明中，所述微孔阵列模板中的微孔优选包括一级微圆柱孔、一级微方形柱孔、一级微五角星柱孔、一级微六棱柱孔、一级带沿微圆柱孔、一级带沿微六棱柱孔、二级微圆柱-微圆柱孔、二级微六棱柱-微六棱柱孔或二级微六棱柱-微圆柱孔。具体的，所述一级微圆柱孔、一级微方形柱孔、一级微五角星柱孔和一级微六棱柱孔中微孔的截面形状分别为圆形、正方形、五角星形和六边形。所述一级带沿微圆柱孔中包括一级圆柱孔，且在每个一级圆柱孔内具有一个二级圆柱孔，所述一级圆柱孔的圆形截面的圆心与所述二级圆柱孔的圆形截面的圆心重合。所述一级带沿微六棱柱孔中包括一级六棱柱孔，且在每个一级六棱柱孔内具有一个二级圆柱孔，所述一级六棱柱孔的六边形截面的中心与所述二级圆柱孔的圆形截面的圆心重合。所述二级微圆柱-微圆柱孔中包括一级圆柱孔，且在每个一级圆柱孔上具有多个呈阵列分布的二级圆柱孔。所述二级微六棱柱-微六棱柱孔中包括一级六棱柱孔，且在每个一级六棱柱孔上具有多个呈阵列分布的二级六棱柱孔。所述二级微六棱柱-微圆柱孔中包括一级六棱柱孔，且在每个一级六棱柱孔上具有多个呈阵列分布的二级圆柱孔；或者，所述二级微六棱柱-微圆柱孔中包括一级圆柱孔，且在每个一级圆柱孔上具有多个呈阵列分布的二级六棱柱孔。在本发明中，所述微孔阵列模板中的微孔为一级微圆柱孔、一级微方形柱孔、一级微五角星柱孔、一级带沿微圆柱孔、一级带沿微六棱柱孔、二级微圆柱-微圆柱孔、二级微六棱柱-微六棱柱孔和二级微六棱柱-微圆柱孔时，相对应所得三维微弧面异形结构分别为一级微圆柱弧面异形结构、一级微方形弧面异形结构、一级微五角星弧面异形结构、一级带沿微圆柱弧面异形结构、一级带沿微六棱柱弧面异形结构、二级微圆柱-微圆柱弧面异形结构、二级微六棱柱-微六棱柱弧面异形结构或二级微六棱柱-微圆柱弧面异形结构。
在本发明中，所述微孔阵列模板中微孔的尺寸优选为微米级，更优选为<200μm，进一步优选为50～150μm；本发明优选根据实际需要选择合适的微孔尺寸。在本发明中，所述微孔的尺寸具体是指所述微孔阵列模板中微孔对应截面形状的外接圆直径(当截面形状为圆形时，微孔尺寸即为该圆形直径)。
本发明对于所述微孔阵列模板的材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的材质即可；在本发明中，所述微孔阵列模板的材质优选包括硅、金属或柔性聚合物材料；所述金属优选包括铝或铜；所述柔性聚合物材料优选包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS树脂)或环氧树脂。本发明对于上述材料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述微孔阵列模板的材质可以与填充介质一致，也可以与填充介质不一致，本发明对此不作特殊限定。
在本发明中，所述微孔阵列模板的制备方法优选包括光刻法、机械加工法或化学刻蚀法；本发明对于所述制备方法的具体操作步骤和参数没有特殊的限定，能够保证制备得到的微孔阵列模板的表面光滑且具有相应尺寸及形状要求的微孔结构即可。
本发明对于所述压盖的具体操作方式没有特殊的限定，能够保证所述微孔阵列模板平整、均匀地盖在所述预固化填充介质上即可，如在所述微孔阵列模板的顶端放置重物，以对所述微孔阵列模板施加一定压力，保证后续填充介质在微孔阵列模板中固化成型过程中无相对滑动；在本发明的实施例中，具体是在所述微孔阵列模板的顶端放置一个60g的砝码。
本发明对于所述固化没有特殊的限定，能够保证填充介质充分固化即可。在本发明中，所述固化的温度优选为20～120℃，更优选为50～100℃；时间优选为5～15min，更优选为8～12min。
本发明对于所述脱模没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的脱模方式进行脱模即可。本发明脱模后得到的微孔阵列模板可重复使用，提高了材料的利用率，有利于降低成本。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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1
按照图1所示流程图制备一级微圆柱弧面异形结构3，包括以下步骤：
在平面基底2(玻璃板)的单面旋涂(旋涂的转速为1000r/min，时间为60s)填充介质(SBS树脂)，在30℃条件下预固化60s，在所述平面基底2的单面形成初始填充介质层21，然后将一级微圆柱孔阵列模板11(材质为PDMS)压盖在所述初始填充介质层21上，并在所述一级微圆柱孔阵列模板11的顶端放置一个60g的砝码，在30℃条件下进行固化，在固化过程中填充介质沿一级微圆柱孔阵列模板11的孔结构填充，基于毛细运动基本规律，由于受到来自于一级微圆柱孔阵列模板11的孔结构侧壁的毛细力，所述填充介质在所述一级微圆柱孔阵列模板11的孔结构中形成一级微圆柱弧面异形填充介质层22，固化10min后，所述一级微圆柱弧面异形填充介质层22完全固化，脱模，得到一级微圆柱弧面异形结构3。
实施例2
按照图2所示流程图制备一级带沿微圆柱弧面异形结构4，与实施例1的方法不同之处在于，将实施例1中填充介质替换为环氧树脂(控制环氧树脂与固化剂的质量比为1：1)，将所述一级微圆柱孔阵列模板11替换为一级带沿微圆柱孔阵列模板12，预固化温度为40℃，时间为40s，固化温度为40℃，时间为5min；其中，在固化过程中填充介质完全填充一级圆柱孔后，在二级圆柱孔处会产生新的毛细拉升效应，使填充介质的凹面产生较小的下凹弧面结构，形成一级带沿微圆柱弧面异形填充介质层23，最终得到一级带沿微圆柱弧面异形结构4。
实施例3
按照图3所示流程图制备二级微六棱柱-微六棱柱弧面异形结构5，与实施例1的方法不同之处在于，将实施例1中所述一级微圆柱孔阵列模板11替换为二级微六棱柱-微六棱柱孔阵列模板13；其中，在固化过程中所述填充介质沿二级微六棱柱-微六棱柱孔阵列模板13的孔结构填充，形成二级微六棱柱-微六棱柱弧面异形填充介质层24，最终得到二级微六棱柱-微六棱柱弧面异形结构5。
实施例4
按照图4所示流程图制备一级微方形柱弧面异形结构6，与实施例1的方法不同之处在于，将实施例1中所述一级微圆柱孔阵列模板11替换为一级微方形柱孔阵列模板14。
实施例5
按照图5所示流程图制备一级微五角星柱弧面异形结构7，与实施例1的方法不同之处在于，将实施例1中所述一级微圆柱孔阵列模板11替换为一级微五角星柱孔阵列模板15。
实施例6
按照实施例1的方法制备一级微六棱柱弧面异形结构，不同之处在于，将实施例1中所述一级微圆柱孔阵列模板11替换为一级微六棱柱孔阵列模板；所得一级微六棱柱弧面异形结构的实物图如图6所示，其中，左图为右图的放大图，由图6可以看出，所述一级微六棱柱弧面异形结构的顶端为凹面结构，且均匀性好。
实施例7
按照实施例1的方法制备一级带沿微六棱柱弧面异形结构，不同之处在于，将实施例1中所述一级微圆柱孔阵列模板11替换为一级带沿微六棱柱孔阵列模板；所得一级带沿微六棱柱弧面异形结构的实物图如图7所示，其中，左图为所述一级带沿微六棱柱弧面异形结构的俯视图，右图为所述一级带沿微六棱柱弧面异形结构的剖面图，由图7可以看出，所述一级带沿微六棱柱弧面异形结构的顶端为带有边沿的凹坑结构，且均匀性好。
由以上实施例可知，本发明提供的方法具有效率高、成本低、流程简单等优点，不需要特定的设备与材料，同时可以根据需要调节三维结构的高度、形状，能够实现多种异形表面结构的制备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种制备三维微弧面异形结构的方法，包括以下步骤：
在平面基底的单面涂覆填充介质后进行预固化，在所述平面基底的单面形成填充介质层；
将微孔阵列模板压盖在所述填充介质层上，进行固化后脱模，得到三维微弧面异形结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平面基底包括玻璃、硅片或二氧化硅片。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微孔阵列模板中的微孔包括一级微圆柱孔、一级微方形柱孔、一级微五角星柱孔、一级微六棱柱孔、一级带沿微圆柱孔、一级带沿微六棱柱孔、二级微圆柱-微圆柱孔、二级微六棱柱-微六棱柱孔或二级微六棱柱-微圆柱孔。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述微孔阵列模板的材质包括硅、金属或柔性聚合物材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属包括铝或铜。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述柔性聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物或环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充介质包括柔性聚合物材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述柔性聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物或环氧树脂。
9.根据权利要求1、7或8所述的方法，其特征在于，所述预固化的温度为20～120℃，时间≤90s。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述固化的温度为20～120℃，时间为5～15min。
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