CN112051631B - 一种微透镜阵列膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种微透镜阵列膜的制备方法，将氯仿、甲醇溶液在室温下搅拌混合；配置聚甲基丙烯酸甲酯/氯仿溶液；将聚合物溶液旋涂于基底上，室温下自然挥发；将涂覆有聚合物膜的基底片置于盛有氯仿、甲醇混合液的培养皿中，数秒后拿出置于环境自然挥发，形成高度规整的蜂窝状孔结构；将聚二甲基硅氧烷预聚体和交联剂以10:1的比例混合并抽真空，将待固化的PDMS浇筑于具有蜂窝状孔结构的聚合物膜表面，70℃下固化2h；使固化后的PDMS与具有孔结构的聚合物膜分离，最终得到微透镜阵列膜。本发明制得的微透镜膜具有极高的溶胀能力，可以通过有机溶剂溶胀来改变透镜焦距，对光路可以起到良好的发散作用，应用于灯具表面扩大其照明范围。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种阵列膜的制备方法，具体涉及一种微透镜阵列膜的制备方法，属于仿生微结构、光学器件领域。
背景技术
自然界中生物体因具有独特的微观结构往往会表现出优异的性能，例如荷叶表面的微柱结构使得其具有超疏水性能从而拥有自清洁能力，蜂窝状多孔结构是自然界广泛存在的一种结构，该结构因规整度高，比表面积大，稳定性高等特点成为研究人员关注的热点。除了宏观尺度上蜂巢的六边形结构外，苍蝇的复眼也呈六角形排列，这种微纳米尺度上的透镜阵列使得苍蝇具有360°的视野范围。目前，制备蜂窝状网络结构的方法主要有静电纺丝技术，激光雕刻技术及呼吸图法。激光雕刻等技术由于精度的限制往往得不到微米尺度的蜂窝孔结构。呼吸图法对环境湿度要求较高且对实验环境极为敏感，因此重复性较差。而由溶剂诱导相分离的方法制备得到的蜂窝状微孔结构规整度高，且方法简单速度较快重复性较高，并且适合大面积制备，因此具有广阔的应用前景。
用于复型微透镜阵列的蜂窝状多孔模板可以通过调节配方比例控制孔结构大小和孔间距，进而控制透镜的尺寸得到适用于不同情况的微透镜阵列。
微透镜阵列和苍蝇复眼结构极为相似，同样可以呈现多重像，并且该结构在光束透过时可以对其进行扩散，有效提高光的利用效率。用本发明中的蜂窝状孔结构以及微透镜结构的制备，可以高效快速的制备出适用于光路扩散光学器件，为未来光学器件的发展提供了更多的可能。
发明内容
本发明提供了一种可用于呈现多重像，并且可以有效提高光的利用率的微透镜阵列膜的制备方法。
本发明是这样实现的：
一种微透镜阵列膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将氯仿、甲醇溶液在室温下搅拌混合；
步骤2，配置聚甲基丙烯酸甲酯/氯仿溶液，超声使聚合物充分溶解；
步骤3，将聚合物溶液旋涂于基底上，室温下自然挥发；
步骤4，将涂覆有聚合物膜的基底片置于盛有氯仿、甲醇混合液的培养皿中，数秒后拿出置于环境自然挥发，形成高度规整的蜂窝状孔结构；
步骤5，将聚二甲基硅氧烷预聚体和交联剂以10:1的比例混合并抽真空，将待固化的PDMS浇筑于具有蜂窝状孔结构的聚合物膜表面，70℃下固化2h；
步骤6，使固化后的PDMS与具有孔结构的聚合物膜分离，最终得到微透镜阵列膜。
本发明还包括这样一些特征：
所述步骤1中氯仿与甲醇的体积比为85:15；所述搅拌的速率为500r/min，搅拌的最优时间为8h；
所述步骤2中聚甲基丙烯酸甲酯的浓度为10％、15％、20％；
所述步骤3中实验的环境为温度：23，湿度40％RH；步骤3中基底材料为玻璃片、铜片或硅片；
本发明有益效果：
本发明涉及的蜂窝状多孔膜的制备方式具有结构可控、操作简便、成本低廉和可重复性强等特点。这种技术在实际生产生活中具有很大的应用前景，并且利用聚合物膜提高光的利用效率也是目前的研究热点；
本发明所制得的微透镜阵列膜具有良好的柔韧性和自支撑性能，并且厚度可控，可以根据实际需求的不同调整材料的形状和厚度；
本发明制得的微透镜膜材料具有极高的溶胀能力，可以通过有机溶剂溶胀来改变透镜焦距；
本发明制得的微透镜膜对光路可以起到良好的发散作用，可以应用于灯具表面扩大其照明范围。
附图说明
图1a是蜂窝状多孔膜的制备过程图；
图1b是微透镜结构的制备过程图；
图2是实施例1制备的微透镜阵列膜对检测荧光素钠荧光强度的影响的对比图；
图3是实施例2制备的微透镜阵列膜使用不同的紫外检测器测试其在可见光范围的透射率的对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施案例，对本发明进行详细说明。
本发明属于仿生微结构、光学器件领域，利用一种由溶剂诱导相分离法制得的蜂窝状孔结构聚合物膜制备大小结构可调的微透镜阵列从而实现对可见光良好的散射作用，有效提高光的利用效率。
本发明涉及一种应用广泛的蜂窝状微孔结构制备技术，并涉及一种仿苍蝇复眼结构的微透镜阵列的发明和制备，本发明提供的微透镜柔性膜材料可用于呈现多重像，并且可以有效提高光的利用率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种以蜂窝状孔结构为模板制备微透镜阵列的方法，制备步骤如下：
步骤1，将氯仿、甲醇溶液以一定比例混合，室温下搅拌混合；
步骤2，配置一定浓度的聚甲基丙烯酸甲酯/氯仿溶液，超声使聚合物充分溶解；
步骤3，将聚合物溶液旋涂于玻璃基底上，室温下自然挥发；
步骤4，将涂覆有聚合物膜的玻璃片置于盛有氯仿、甲醇混合液的培养皿中，数秒后拿出置于环境自然挥发，形成高度规整的蜂窝状孔结构；
步骤5，将聚二甲基硅氧烷预聚体和交联剂以10:1的比例混合并抽真空，将待固化的PDMS浇筑于具有蜂窝状孔结构的聚合物膜表面，70℃下固化2h；
步骤6，使固化后的PDMS与具有孔结构的聚合物膜分离，最终得到具有微透镜阵列的光学器件。
所述以蜂窝状孔结构为模板制备微透镜阵列的配方及操作方法如下：
步骤1中所用溶剂氯仿、甲醇的体积比为85:15；
步骤1中混合溶液的搅拌速率为500r/min，搅拌最优时间为8h；
步骤2中优选的聚甲基丙烯酸甲酯的浓度(质量分数)为10％、15％、20％；
步骤3中实验的环境为温度：23，湿度40％RH；
步骤3中使用的基底材料可以为玻璃片、铜片、硅片。
所述的聚甲基丙烯酸甲酯的不同浓度可以制备出不同尺寸的蜂窝状孔结构从而复型得到不同尺寸的微透镜阵列。
所述的蜂窝状多孔膜制备技术涂膜前要将玻璃基底用食人鱼溶液(浓硫酸：双氧水＝2:1)清洗干净备用。
所述的微透镜阵列制备技术固化时一定严格保持水平，以保证形成厚度均匀的膜。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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实施例。
实施例1：
一种直径3.9±0.1μm高度2.8μm的微透镜阵列的制备方法，其制备步骤如下：
步骤1，将氯仿、甲醇溶液以一定比例混合，室温下搅拌混合；
步骤2，配置一定浓度的聚甲基丙烯酸甲酯/氯仿溶液，超声使聚合物充分溶解；
步骤3，将聚合物溶液旋涂于基底上，室温下自然挥发；
步骤4，将涂覆有聚合物膜的玻璃片置于盛有氯仿、甲醇混合液的培养皿中，数秒后拿出置于环境自然挥发，形成高度规整的蜂窝状孔结构；
步骤5，将聚二甲基硅氧烷预聚体和交联剂以10:1的比例混合并抽真空，将待固化的PDMS浇筑于具有蜂窝状孔结构的聚合物膜表面，70℃下固化2h；
所述直径3.9±0.1μm高度2.8μm的微透镜阵列的制备如下：
步骤1中所用溶剂氯仿、甲醇的体积比为85:15；
步骤1中混合溶液的搅拌速率为500r/min，搅拌最优时间为8h；
步骤2中优选的聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为10％；
步骤3中实验的环境为温度：23，湿度40％RH；
步骤3中使用的基底材料为玻璃片。
所述的蜂窝状多孔膜制备技术涂膜前要将玻璃基底用食人鱼溶液(浓硫酸：双氧水＝2:1)清洗干净备用。
所述的微透镜阵列制备技术固化时一定严格保持水平,以保证形成厚度均匀的膜。
经检测，制备的微透镜阵列贴附于比色皿内部使得荧光素钠的荧光度提高了10％。
实施例2：
一种直径3.5±0.2μm高度2.4μm的微透镜阵列的制备方法，其制备步骤如下：
步骤1，将氯仿、甲醇溶液以一定比例混合，室温下搅拌混合；
步骤2，配置一定浓度的聚甲基丙烯酸甲酯/氯仿溶液，超声使聚合物充分溶解；
步骤3，将聚合物溶液旋涂于基底上，室温下自然挥发；
步骤4，将涂覆有聚合物膜的玻璃片置于盛有氯仿、甲醇混合液的培养皿中，数秒后拿出置于环境自然挥发，形成高度规整的蜂窝状孔结构；
步骤5，将聚二甲基硅氧烷预聚体和交联剂以10:1的比例混合并抽真空，将待固化的PDMS浇筑于具有蜂窝状孔结构的聚合物膜表面，70℃下固化2h；
所述直径3.5±0.2μm高度2.4μm的微透镜阵列的制备如下：
步骤1中所用溶剂氯仿、甲醇的体积比为85:15；
步骤1中混合溶液的搅拌速率为500r/min，搅拌最优时间为8h；
步骤2中优选的聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为10％；
步骤3中实验的环境为温度：23，湿度40％RH；
步骤3中使用的基底材料为玻璃片。
所述的蜂窝状多孔膜制备技术涂膜前要将玻璃基底用食人鱼(浓硫酸：双氧水＝2:1)溶液清洗干净。
所述的微透镜阵列制备技术固化时一定严格保持水平。
经检测，制备的微透镜阵列在普通紫外和积分球紫外检测中分别进行可见光波长范围内的检测，用积分球检测的透射率明显高于普通紫外。有效的说明了微透镜阵列薄膜对光束的扩散作用。
实施例
下面,将本发明的实施例示于表1。
表1：微透镜阵列实例
| 实例 | 10％ | 15％ | 20％ |
| 玻璃片 | 实例1 | 实例2 | 实例3 |
| 硅片 | 实例4 | 实例5 | 实例6 |
| 铜片 | 实例7 | 实例8 | 实例9 |
另外，实例1所得的微透镜大小均匀，透镜与透镜间排列紧凑无缝隙，总体上呈现六角形蜂窝状结构。带有微透镜的PDMS膜可以快速从模板上玻璃，膜的完整性较好。可以实现模板的重复利用。
另外，实例2所得的微透镜大小均匀但较实例1小，透镜与透镜间排列紧凑无缝隙，总体上呈现六角形蜂窝状结构。带有微透镜的PDMS膜可以快速从模板上玻璃，膜的完整性较好。可以实现模板的重复利用。
另外，实例3所得的微透镜大小均匀但较实例2小，透镜间距较实例2稍大，带有微透镜的PDMS膜可以快速从模板上玻璃，膜的完整性较好。可以实现模板的重复利用。
另外，实例4、实例5、实例6所得透镜大小和间距都较为均匀。透镜排列较为规整。玻璃后同样可以保证膜的完整性。
另外，实例7、实例8、实例9所得透镜大小较为均匀，透镜间相互独立间距较大，由于铜片对PMMA膜的附着能力较差导致PDMS膜剥离时连带模板一同剥离。难以实现模板的重复使用。
图1a-b是根据本发明的示范性实施例的操作示意图。
图2是根据本发明的示范性实施例1制备的微透镜阵列膜对检测荧光素钠荧光强度的影响的对比图；图2荧光素钠的荧光检测强度的提高用于验证微透镜阵列膜对光路的扩散作用；
图3是根据本发明的示范性实施例2制备的微透镜阵列膜使用不同的紫外检测器测试其在可见光范围的透射率的对比图，该结果证明微透镜阵列膜对光路的扩散作用。图3微透镜阵列薄膜分别在紫外分光光度计检测和积分球检测器检测下的透射率。
Claims (1)
1.一种微透镜阵列膜的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1，将氯仿、甲醇溶液在室温下搅拌混合，其中，氯仿与甲醇的体积比为85∶15，搅拌的速率为500r/min，搅拌的时间为8h；
步骤2，配置聚甲基丙烯酸甲酯/氯仿溶液，超声使聚合物充分溶解；
步骤3，将聚合物溶液旋涂于基底上，室温下自然挥发；
步骤4，将涂覆有聚合物膜的基底片置于盛有氯仿、甲醇混合液的培养皿中，数秒后拿出置于环境自然挥发，形成高度规整的蜂窝状孔结构；
步骤5，将聚二甲基硅氧烷预聚体和交联剂以10∶1的比例混合并抽真空，将待固化的PDMS浇筑于具有蜂窝状孔结构的聚合物膜表面，70℃下固化2h；
步骤6，使固化后的PDMS与具有孔结构的聚合物膜分离，最终得到微透镜阵列膜；
所述步骤2中聚甲基丙烯酸甲酯的浓度为10％；
所述步骤3中实验的环境为温度：23，湿度40％RH；步骤3中基底材料为硅片；
将制备的微透镜阵列贴附于比色皿内部，使得荧光素钠的荧光度提高了10％，其中，所述微透镜阵列的直径为3.9±0.1μm，高度为2.8μm；
所述微透镜阵列应用于灯具表面扩大其照明范围。
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