CN110744755B - 三模组复合功能微纳压印实验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了三模组复合功能微纳压印实验系统及方法，包括顺序排列的第一辊压模组、第二辊压模组和第三辊压模组；其中，第三辊压模组位于第一辊压模组和第二辊压模组的上方；聚合物薄膜能够绕卷于第一辊压模组、第二辊压模组和第三辊压模组之间的任意一个或两个或三个。本发明既可在单一的聚合物薄膜或光固化树脂材料表面加工微纳结构阵列，也可同时在聚合物薄膜和光固化树脂材料两种材料表面加工微纳结构阵列。

Description

三模组复合功能微纳压印实验系统及方法
技术领域
本发明涉及聚合物微纳加工领域，具体的，涉及一种三模组复合功能微纳压印实验系统及方法。
背景技术
表面具有功能性微纳结构阵列的聚合物薄膜广泛应用于生物检测、柔性电子器件、柔性能源、柔性传感等领域。卷对卷辊压成形技术可以实现连续加工，为聚合物表面功能性微纳结构阵列的高精度、批量化、大面积制造提供了一种有效方法，其中，高精度、复合功能化的卷对卷微纳压印实验系统是保证结构高精度、高效率制造的核心所在。
现有的公开文献中，中国专利CN 104608370A公开了一种基于卷对卷UV固化聚合物薄膜表面微结构加工系统及方法，涉及的加工系统可以实现紫外(UV)单面辊压和双面辊压两种工艺流程；中国专利CN 103660103 B公开了一种基于带状模具的薄膜双面微结构卷对卷UV固化成型机构，可以实现紫外(UV)单面辊压和双面辊压两种工艺流程。中国专利CN102700123 B公开了一种聚合物薄膜类产品微细结构卷对卷热辊压成形机构，可以实现聚合物薄膜单面热辊压一种工艺流程。中国专利CN 106696158 A公开了一种卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构粉末成形方法及系统，可以实现聚合物粉末单面热辊压一种工艺流程。中国专利CN 101943859 B授权了一种卷对卷紫外纳米压印机构及方法，可以实现单面紫外(UV)辊压一种工艺流程。
发明认为，现有的技术方案中，只是公开了一种热辊方式，对于需求较多的生产线，其缺少综合加工能力，不能实现多种形式的辊压加工。
发明内容
针对现有的卷对卷微纳压印技术缺少综合加工能力，不能实现多种形式的辊压加工的不足，本发明旨在提供一种功能复合化的三模组多功能卷对卷微纳压印实验系统，可以实现单面热辊压、单面紫外辊压、双面热辊压、双面紫外辊压、双面热/紫外混合辊压(先热后紫外)、双面热/紫外混合辊压(先紫外后热)多种工艺流程；既可在单一的聚合物薄膜或光固化树脂材料表面加工微纳结构阵列，也可同时在聚合物薄膜和光固化树脂材料两种材料表面加工微纳结构阵列。
本发明的第一目的，是提供一种三模组复合功能微纳压印实验系统。
本发明的第二目的，是提供一种三模组复合功能卷对卷微纳压印实验方法。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先本发明公开了一种三模组复合功能微纳压印实验系统，包括顺序排列的第一辊压模组、第二辊压模组和第三辊压模组；其中，第三辊压模组位于第一辊压模组和第二辊压模组的上方；聚合物薄膜能够绕卷于第一辊压模组、第二辊压模组和第三辊压模组之间的任意一个或两个或三个。
进一步，还包括放卷单元和收卷单元，放卷单元和第一辊压模组之间设有预热机构，第三辊压模组与收卷单元之间设有方向控制辊；第一辊压模组和第二辊压模组之间还设有方向控制辊。
进一步，第一辊压模组为热辊压和紫外辊压联用模组；第二辊压模组为热辊压模组；第三辊压模组为紫外辊压模组；所述第一辊压模组、所述第二辊压模组和所述第三辊压模组的两侧均分别设有压力辊。
进一步，所述放卷单元和所述第一辊压模组之间还设有滴胶机构，所述第三辊压模组的前侧设有滴胶机构。
进一步，所述第二辊压单元和所述第三辊压单元的周侧均设有多个方向控制辊，聚合物薄膜能够通过卷绕方向控制辊绕过第二辊压单元或第三辊压单元。
进一步，所述第一辊压模组的外侧设有紫外线灯，紫外线灯的灯光能够照射于第一辊压模组的表面，紫外线灯的光辐照度为10～50mW/cm2。
进一步，所述第一辊压模组采用梯度液压系统提供不同挤压力，梯度液压系统可提供的压力范围为2-80kgf。梯度液压系统主要由液压泵、数控电液比例阀、控制电路等组成，液压泵提供液压油输出，数控电液比例阀的比例电磁铁根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力输出。
进一步，所述第二辊压模组采用油压系统提供所需挤压力，油压系统可提供的压力范围为20-90kgf。油压系统主要由液压油、液压泵、流量阀等组成，通过控制电路实现挤压力大小调控。
进一步，所述第三辊压模组采用气压系统提供所需挤压力，气压系统可提供的压力范围为1-10kgf。气压系统主要由空气压缩机、气缸、减压阀、控制电路等组成，通过控制电路调控气压大小。
本发明中，第一～第三辊压模组采用不同的油压系统提供所需挤压力，其提供的压力范围不同，以适用于不同的辊压模组的压力需求
其次本发明公开了一种三模组复合功能卷对卷微纳压印实验方法，聚合物薄膜绕过第一辊压模组，能够实现单面热辊压、单面紫外辊压；
聚合物薄膜绕过第一辊压模组和第二辊压模组，能够实现双面热辊压和双面热/紫外混合辊压；
聚合物薄膜绕过第一辊压模组和第三模组联合使用，能够实现双面紫外辊压和双面热/紫外混合辊压。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
1)本发明中，通过使用第一～第三辊压模组，可以实现聚合物薄膜的单面热辊压、单面紫外辊压、双面热辊压、双面紫外辊压、双面热/紫外混合辊压(先热后紫外)、双面热/紫外混合辊压(先紫外后热)多种工艺流程；既可在单一的聚合物薄膜或光固化树脂材料表面加工微纳结构阵列，也可同时在聚合物薄膜和光固化树脂材料两种材料表面加工微纳结构阵列。
2)本发明中，使用方向控制辊控制聚合物薄膜的方向，方向控制辊的布局能够使得聚合物薄膜绕过第二和第三辊压模组，从而便于整个实验系统切换不同的生产状态。
3)本发明中，第一～第三辊压模组的设置位置不同，具体的，第一～第三辊压模组的竖截面位置并非位于同一条线，而是呈三角形布局，以便于在第一～第三辊压模组中选择任意一个或两个或三个进行组合使用，方便生产。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1或实施例2所示的单面热辊压成形示意图，
图2为实施例1或实施例3所示的单面紫外辊压成形示意图，
图3为实施例1或实施例4所示的双面热辊压成形示意图，
图4为实施例1或实施例5所示的双面紫外辊压成形示意图，
图5为实施例1或实施例6所示的双面热/紫外混合辊压成形示意图，
图6为实施例1或实施例7所示的双面热/紫外混合辊压成形示意图。
图中，1-放卷单元；2-纠偏单元；3-方向控制辊；4-聚合物薄膜；5-预热机构；6-压力辊；7-第一辊压模组；8-风刀冷却机构；9-收卷单元；10-滴胶机构；11-紫外线灯；12-第二辊压模组；13-第三辊压模组。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所述，针对现有的卷对卷微纳压印技术缺少综合加工能力，不能实现多种形式的辊压加工的不足，本发明旨在提供一种功能复合化的三模组多功能卷对卷微纳压印实验系统，可以实现单面热辊压、单面紫外辊压、双面热辊压、双面紫外辊压、双面热/紫外混合辊压(先热后紫外)、双面热/紫外混合辊压(先紫外后热)多种工艺流程；既可在单一的聚合物薄膜或光固化树脂材料表面加工微纳结构阵列，也可同时在聚合物薄膜和光固化树脂材料两种材料表面加工微纳结构阵列。现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
实施例1
请参考图1，本实施例公开了一种三模组复合功能微纳压印实验系统，包括顺序排列的第一辊压模组7、第二辊压模组12和第三辊压模组13，第一辊压模组7、第二辊压模组12和第三辊压模组13分别为热辊压和紫外辊压联用模组、热辊压模组和紫外辊压模组；其中，第三辊压模组13位于第一辊压模组7和第二辊压模组12的上方；聚合物薄膜4能够绕卷于第一辊压模组7、第二辊压模组12和第三辊压模组13之间的任意一个或两个或三个。
可以理解的是，本实施例中的热辊压和紫外辊压联用模组、热辊压模组和紫外辊压模组均为本领域内的常用模组，在此不总的赘述其具体结构。固定热辊压和紫外辊压联用模组、热辊压模组和紫外辊压模组的方法也为本领域内的常用手段。
本实施例中的第一、第二和第三辊压模组13在其竖截面方向形成三角形布局，以便于从中选择任一或任二或三个辊压模组。
还包括放卷单元1和收卷单元9，放卷单元1和第一辊压模组7之间设有预热机构5，第三辊压模组13与收卷单元9之间设有方向控制辊3；第一辊压模组7和第二辊压模组12之间还设有方向控制辊3。
可以理解的是，作为一个完整的微纳压印实验系统，本实施例还包括纠偏单元2和风刀冷却机构8，纠偏单元2在辊压领域中是广泛使用的一种成品机构，其作用是对多个辊之间的薄膜进行纠偏，防止薄膜相对于辊出现偏移；风刀冷却机构8也为本领域中常使用的机构，其实质上是一种风刀。
所述第一辊压模组7的两侧设有压力辊6，所述第二辊压模组12的两侧设有压力辊6，所述第三辊压模组13的两侧设有压力辊6。
所述放卷单元1和所述第一辊压模组7之间还设有滴胶机构10，所述第三辊压模组13的前侧设有滴胶机构10。
所述第二辊压单元和所述第三辊压单元的周侧均设有多个方向控制辊3，聚合物薄膜4能够通过卷绕方向控制滚绕过第二辊压单元或第三辊压单元。
所述第一辊压模组7的外侧设有紫外线灯11，紫外线灯11的灯光能够照射于第一辊压模组7的表面，紫外线灯11的光辐照度为10～50mW/cm2。
所述第一辊压模组7采用梯度液压系统提供不同挤压力，梯度液压系统可提供的压力范围为2-80kgf。梯度液压系统由相连接的液压泵和液压管路构成，液压管路设有数控电液比例阀，液压泵和数控电液比例阀连接控制电路，液压泵提供液压油输出，数控电液比例阀的比例电磁铁根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力输出，此为现有技术中的常用设计，在此不再赘述。
所述第二辊压模组12采用油压系统提供所需挤压力，油压系统可提供的压力范围为20-90kgf。油压系统由液压泵、液压管路和流量阀组成，液压泵连接液压管路，液压管路上设置流量阀，控制电路连接流量阀和液压泵，通过控制电路控制流量阀和液压泵实现挤压力大小调控，此为现有技术中的常用设计，在此不再赘述。
所述第三辊压模组13采用气压系统提供所需挤压力，气压系统可提供的压力范围为1-10kgf。气压系统由空气压缩机、气缸、气动管路、减压阀、控制电路组成，空气压缩机连通气缸，空气压缩机还连通气动管路，气动管路设置减压阀，减压阀和空气压缩机连接控制电路，通过控制电路调控气压大小，此为现有技术中的常用设计，在此不再赘述。
实施例2
实施例2公开了一种基于实施例1的三模组复合功能卷对卷微纳压印实验方法，如图1所示，具体如下：首先由放卷单元1释放聚合物薄膜4，为辊压过程提供原材料；在纠偏单元2作用下，聚合物薄膜4调整到方向控制辊的中间位置；通过预热机构5对聚合物薄膜进行预热，使其成形性更优；在压力辊6和第一辊压模组7挤压作用下，熔融的聚合物薄膜材料流进模腔；最后，采用风刀冷却机构8对流进模腔的聚合物薄膜材料进行冷却，脱模即可获得所需的功能性微纳结构阵列，并由收卷单元9完成收卷。单面热辊压成形工艺中，梯度液压系统的压力范围为20-80kgf，温度范围为80-300℃，本实施例的所展示的是聚合物薄膜表面功能性微纳结构阵列单面热辊压工艺流程。
实施例3
实施例3公开了一种基于实施例1的三模组复合功能卷对卷微纳压印实验方法，如图2所示，具体如下：首先由放卷单元1释放聚合物薄膜4，作为辊压过程的柔性基材；在纠偏单元2作用下，聚合物薄膜4调整到方向控制辊3的中间位置；通过滴胶机构10在聚合物薄膜表面涂布光固化树脂材料；在压力辊6和第一辊压模组7挤压作用下，液态的光固化树脂材料流进模腔；最后，在紫外线灯11照射作用下，液态光固化树脂材料固化并脱模，获得所需的功能性微纳结构阵列，并由收卷单元9完成收卷。单面紫外辊压成形工艺中，梯度液压系统的压力范围为2-10kgf，温度范围为20-120℃，紫外线灯的光辐照度为10～50mW/cm2。本实施例所展示的是聚合物薄膜表面功能性微纳结构阵列单面紫外辊压工艺流程。
实施例4
实施例4公开了一种基于实施例1的三模组复合功能卷对卷微纳压印实验方法，如图3所示，具体如下：首先由放卷单元1释放聚合物薄膜4，为辊压过程提供原材料；在纠偏单元2作用下，聚合物薄膜4调整到方向控制辊3的中间位置；通过预热机构5对聚合物薄膜进行预热，使其成形性更优；在压力辊6和第一辊压模组7挤压作用下，熔融的聚合物薄膜材料流进模腔；采用风刀冷却机构8对流进模腔的聚合物薄膜材料进行冷却，脱模即可完成单面热辊压成形微纳结构阵列；在方向控制辊3作用下，聚合物薄膜方向反转进行另一侧热辊压成形；采用预热机构5对聚合物薄膜进行预热；在压力辊6和第二辊压模组12挤压作用下，熔融的聚合物薄膜材料流进模腔；在风刀冷却机构8作用下，冷却脱模；经过方向控制辊3到达收卷单元9，即完成双面热辊压成形。第一侧热辊压成形工艺中，梯度液压系统的压力范围为20-80kgf，温度范围为80-300℃；第二侧热辊压成形工艺中，油压系统可提供的压力范围为20-90kgf，液压油温度范围为20-300℃。本实施例所展示的是聚合物薄膜表面功能性微纳结构阵列双面热辊压工艺流程。
实施例5
实施例5公开了一种基于实施例1的三模组复合功能卷对卷微纳压印实验方法，如图4所示，具体如下：首先由放卷单元1释放聚合物薄膜4，作为辊压过程的柔性基材；在纠偏单元2作用下，聚合物薄膜4调整到方向控制辊3的中间位置；通过滴胶机构10在聚合物薄膜表面涂布光固化树脂材料；在压力辊6和第一辊压模组7挤压作用下，液态的光固化树脂材料流进模腔；最后，在紫外线灯11照射作用下，液态光固化树脂材料固化并脱模，完成单面紫外辊压成形过程；在方向控制辊3作用下，聚合物薄膜基材方向反转进行另一侧的紫外辊压成形，滴胶机构10涂布光固化树脂材料；采用气压系统提供压力，采用模温机控制水的温度，在压力辊6和第三辊压模组13挤压作用下，液态的光固化树脂材料流进模腔；最后，在紫外线灯11照射作用下，液态光固化树脂材料固化并脱模，经过方向控制辊3到达收卷单元9，即完成双面紫外辊压成形。第一侧紫外辊压成形工艺中，梯度液压系统的压力范围为2-10kgf，温度范围为20-120℃，紫外线灯的光辐照度为10～50mW/cm2；第二侧紫外辊压成形工艺中，气压系统的压力范围为1-10kgf，水温范围为10-100℃，紫外线灯的光辐照度为10～50mW/cm2。本实施例所展示的是聚合物薄膜表面功能性微纳结构阵列双面紫外辊压工艺流程。
实施例6
实施例6公开了一种基于实施例1的三模组复合功能卷对卷微纳压印实验方法，如图5所示，具体如下：首先由放卷单元1释放聚合物薄膜4，为辊压过程提供原材料；在纠偏单元2作用下，聚合物薄膜4调整到方向控制辊3的中间位置；通过预热机构5对聚合物薄膜进行预热，使其成形性更优；在压力辊6和第一辊压模组7挤压作用下，熔融的聚合物薄膜材料流进模腔；采用风刀冷却机构8对流进模腔的聚合物薄膜材料进行冷却，脱模即可完成单面热辊压成形微纳结构阵列；在方向控制辊3作用下，聚合物薄膜方向反转在另一侧进行紫外辊压成形，滴胶机构10涂布光固化树脂材料；采用气压系统提供压力，采用模温机控制水的温度，在压力辊6和第三辊压模组13挤压作用下，液态的光固化树脂材料流进模腔；最后，在紫外线灯11照射作用下，液态光固化树脂材料固化并脱模，经过方向控制辊3到达收卷单元9，即完成双面热/紫外混合辊压(先热后紫外)成形。第一侧热辊压成形工艺中，梯度液压系统的压力范围为20-80kgf，温度范围为80-300℃；第二侧紫外辊压成形工艺中，气压系统的压力范围为1-10kgf，水温范围为10-100℃，紫外线灯的光辐照度为10～50mW/cm2。本实施例所展示的是聚合物薄膜表面功能性微纳结构阵列双面热/紫外混合辊压工艺流程，其中先加热后紫外辐照。
实施例7
实施例7公开了一种基于实施例1的三模组复合功能卷对卷微纳压印实验方法，如图6所示，具体如下：首先由放卷单元1释放聚合物薄膜4，作为辊压过程的柔性基材；在纠偏单元2作用下，聚合物薄膜4调整到方向控制辊3的中间位置；通过滴胶机构10在聚合物薄膜表面涂布光固化树脂材料；在压力辊6和第一辊压模组7挤压作用下，液态的光固化树脂材料流进模腔；最后，在紫外线灯11照射作用下，液态光固化树脂材料固化并脱模，完成单面紫外辊压成形过程；在方向控制辊3作用下，聚合物薄膜方向反转进行另一侧热辊压成形；采用预热机构5对聚合物薄膜进行预热；在压力辊6和第二辊压模组12挤压作用下，熔融的聚合物薄膜材料流进模腔；在风刀冷却机构8作用下，冷却脱模；经过方向控制辊3到达收卷单元9，即完成双面热/紫外混合辊压(先紫外后热)成形。第一侧紫外辊压成形工艺中，梯度液压系统的压力范围为2-10kgf，温度范围为20-120℃，紫外线灯的光辐照度为10～50mW/cm2；第二侧热辊压成形工艺中，油压系统可提供的压力范围为20-90kgf，液压油温度范围为20-300℃。本实施例所展示的是聚合物薄膜表面功能性微纳结构阵列双面热/紫外混合辊压工艺流程，其中先紫外辐照后加热。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.三模组复合功能微纳压印实验系统，其特征在于，包括顺序排列的第一辊压模组、第二辊压模组和第三辊压模组；其中，第三辊压模组位于第一辊压模组和第二辊压模组的上方；聚合物薄膜能够绕卷于第一辊压模组、第二辊压模组和第三辊压模组之间的任意一个或两个或三个；
所述第二辊压模组和所述第三辊压模组的周侧均设有多个方向控制辊，聚合物薄膜能够通过卷绕方向控制滚绕过第二辊压模组或第三辊压模组；
所述第一辊压模组为热辊压和紫外辊压联用模组；所述第二辊压模组为热辊压模组；所述第三辊压模组为紫外辊压模组；
所述聚合物薄膜绕过所述第一辊压模组，能够实现单面热辊压、单面紫外辊压；所述聚合物薄膜绕过所述第一辊压模组和所述第二辊压模组，能够实现双面热辊压和双面热/紫外混合辊压；所述聚合物薄膜绕过所述第一辊压模组和所述第三辊压模组，能够实现双面紫外辊压和双面热/紫外混合辊压。
2.如权利要求1所述的三模组复合功能微纳压印实验系统，其特征在于，还包括放卷单元和收卷单元，放卷单元和第一辊压模组之间设有预热机构，第三辊压模组与收卷单元之间设有方向控制辊；第一辊压模组和第二辊压模组之间还设有方向控制辊。
3.如权利要求1所述的三模组复合功能微纳压印实验系统，其特征在于，所述第一辊压模组、所述第二辊压模组和所述第三辊压模组的两侧均分别设有压力辊。
4.如权利要求2所述的三模组复合功能微纳压印实验系统，其特征在于，所述放卷单元和所述第一辊压模组之间还设有滴胶机构，所述第三辊压模组的前侧设有滴胶机构。
5.如权利要求1所述的三模组复合功能微纳压印实验系统，其特征在于，所述第一辊压模组的外侧设有紫外线灯，紫外线灯的灯光能够照射于第一辊压模组的表面，紫外线灯的光辐照度为10～50mW/cm2。
6.如权利要求1所述的三模组复合功能微纳压印实验系统，其特征在于，所述第一辊压模组采用梯度液压系统提供不同挤压力，梯度液压系统可提供的压力范围为2-80kgf。
7.如权利要求1所述的三模组复合功能微纳压印实验系统，其特征在于，所述第二辊压模组采用油压系统提供所需挤压力，油压系统提供的压力范围为20-90kgf。
8.如权利要求1所述的三模组复合功能微纳压印实验系统，其特征在于，所述第三辊压模组采用气压系统提供所需挤压力，气压系统提供的压力范围为1-10kgf。
9.如权利要求1所述的三模组复合功能微纳压印实验系统的实验方法，其特征在于，聚合物薄膜绕过第一辊压模组，能够实现单面热辊压、单面紫外辊压；
聚合物薄膜绕过第一辊压模组和第二辊压模组，能够实现双面热辊压和双面热/紫外混合辊压；
聚合物薄膜绕过第一辊压模组和第三辊压模组，能够实现双面紫外辊压和双面热/紫外混合辊压。
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