CN112225172A - 一种基于空气模法的近圆柱面微凹槽阵列表面制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于空气模法的近圆柱面微凹槽阵列表面制备方法，涉及功能表面制备技术领域，按照下述步骤进行：(1)制备出具有微凹槽阵列的表面；再在一辅助平板上均匀地铺展一层待成形的液态聚合物薄膜；在微凹槽阵列表面的空白处放置间隙块；(2)将铺展有液态聚合物薄膜的辅助平板放置于微凹槽阵列表面上的间隙块上，保持该状态送入真空干燥箱；(3)根据设计的压强值设置真空干燥箱压强，进而加热固化聚合物材料，分离表面从而实现近圆柱面微凹槽阵列表面的制备。本发明通过辅助平板实现液态聚合物的预铺展，解决了液态聚合物在微凹槽阵列表面铺展时对微凹槽的填充排气导致空气模法难以适用的问题。
Description
技术领域
本发明涉及功能表面制备技术领域，特指一种制备近圆柱面微凹槽阵列表面的基于空气模成形方法，其适用于聚合物近圆柱面微凹槽阵列表面的制备，尤其适用于简易条件下的近圆柱面微凹槽阵列表面的制备。
背景技术
近圆柱面微凹槽阵列表面是指表面具有近圆柱面微凹槽阵列结构的表面，这样的表面可用作织构摩擦副，也可用作制备近圆柱面微凸棱阵列结构表面的模板，用以制备光学领域的微柱透镜，近年来得到了广泛的关注。
近圆柱面微凹槽阵列表面通常需要保证微凹槽的表面质量，由于微凹槽阵列为微米尺度，通过机械加工方法和化学腐蚀方法难以保证表面质量。为实现近圆柱面微凹槽或微凸棱的制备，一般采用移滴法，将成形液滴一滴一滴地排列到光滑表面上，再通过热固化的方法使排列的液滴固化而形成近圆柱面结构，在这种方法中，对液滴体积及形状的控制比较困难。专利(ZL200910024713.0)提出了制备近球冠形结构的气体模方法，并实现了纳米尺度近球冠形凹坑阵列的制备，但只能在微孔阵列模板上实现。与微孔阵列模板不同，在微凹槽阵列模板上通过空气模法制备近圆柱面微凹槽阵列的难点在于控制液体在模板凹槽内部的铺展。空气模法实现过程中，成形液态聚合物是滴加到模板表面再在表面铺展开的，对于微孔阵列模板，由于液封效应，这种铺展过程难以将微孔内部气体排除，这为气体模法的实现提供保证；但对于微凹槽阵列而言，成形聚合物铺展过程中将填充到凹槽内部从而排出凹槽内部气体，导致空气模法失效，如附图1所示成形聚合物液滴3容易填充到微凹槽2内部。为此，只有通过一定的方法控制成形液态聚合物在凹槽内部的铺展，才能利用空气模法实现近圆柱面微凹槽的制备。
总之，在前期工作中提出了一种微纳米透镜阵列的制备方法，但该方法只能以孔阵列作为模板，以槽阵列作为模板时，成形液态聚合物在凹槽内部的铺展使得空气模法失效，从而难以实现近圆柱面微凹槽阵列表面的制备。为实现近圆柱面微凹槽阵列表面的制备，本发明提出一种基于辅助平板预铺展的空气模法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制备近圆柱面微凹槽阵列表面的基于辅助平板预铺展的空气模法，实现简易条件下的聚合物材料的近圆柱面微凹槽阵列表面的可控制备。
本发明按下述技术方案实现：
一种用于制备近圆柱面微凹槽阵列表面的基于辅助平板预铺展的空气模法，按照下述步骤进行：
(1)制备出具有微凹槽阵列的表面；再在一辅助平板上均匀地铺展一层待成形的液态聚合物薄膜；在微凹槽阵列表面的空白处放置间隙块；
(2)将铺展有液态聚合物薄膜的辅助平板放置于微凹槽阵列表面上的间隙块上，保持该状态送入真空干燥箱；
(3)根据设计的压强值设置真空干燥箱压强，进而加热固化聚合物材料，分离表面从而实现近圆柱面微凹槽阵列表面的制备。
上述方法步骤(1)中，需要首先制备出具有微凹槽阵列的表面，可通过传统的微加工方法如激光直写加工方法制备，采用的激光光斑直径在5微米～100微米之间，扫描时激光光斑的搭接率在30％～90％之间，对待加工的凹槽区域实现面扫描，扫描次数在5次～20次之间，制备的微凹槽深度大于微凹槽宽度。
上述方法步骤(1)中，在一辅助平板上均匀地铺展一层待成形的液态聚合物薄膜是：将液态聚合物材料PDMS(聚二甲聚硅氧烷)滴放于一辅助平板上并使液态聚合物自由铺展到所需的厚度，自由铺展时间在10s～300s之间，形成厚度范围为50～1500μm液态聚合物薄膜，液态聚合物薄膜铺展面积能够完全覆盖微凹槽阵列表面。
上述方法步骤(1)中，在微凹槽阵列表面的空白处放置间隙块是：准备厚度比液态聚合物薄膜厚度小10～50μm的间隙块3块，间隙块长宽范围在1×1mm到5×5mm之间，将三块间隙块放置于靠近微凹槽阵列表面边缘的空白处，且三块间隙块分散放置，间隙块间的连线形成锐角三角形。
上述方法步骤(2)中，将铺展有液态聚合物薄膜的辅助平板放置于微凹槽阵列表面上的间隙块上，保持该状态送入真空干燥箱是：将铺展有液态聚合物薄膜的辅助平板放置于微凹槽阵列表面上的间隙块上，使液态聚合物与微凹槽阵列表面接触，实现微凹槽内的气体的液封，并在后续操作过程中保持微凹槽阵列表面水平，以限制液态聚合物薄膜的流动，保持这种液态聚合物薄膜与微凹槽阵列表面间的的充分接触和水平状态，送入真空干燥箱以备处理。
上述方法步骤(2)中，根据设计的压强值设置真空干燥箱压强，进而加热固化聚合物材料，分离表面从而实现微圆柱面凹槽阵列表面的制备是：根据设计的近圆柱面微凹槽曲率半径r，计算出真空干燥箱压强P＝P0-σ/r，其中P0为大气压强，σ为液态成形聚合物表面张力，对真空干燥箱抽真空至计算的压强值P；调节温度至60℃保温2小时使成形聚合物薄膜固化；待固化过程结束后自然冷却，从微凹槽模板和辅助平板间分离出制备的固化薄膜即为近圆柱面微凹槽阵列表面。
本发明具有如下技术优势：
通过辅助平板实现液态聚合物的预铺展，解决了液态聚合物在微凹槽阵列表面铺展时对微凹槽的填充排气导致空气模法难以适用的问题。
通过空气模法实现近圆柱面微凹槽阵列表面的制备，所制备的微凹槽内部表面质量决定于液气界面质量，所以可实现较光滑的微凹槽内部表面，有利于在光学领域的应用。
附图说明
图1成形聚合物铺展导致微凹槽内部的气体逸出原理；
图2基于空气模法的近圆柱面微凹槽阵列表面制备方法实现流程；
图3间隙块在微凹槽表面上的放置方式；
1微凹槽阵列表面，2微凹槽，3成形聚合物液滴，4辅助平板，5液态聚合物薄膜，6辅助平板与微凹槽阵列表面间的成形聚合物液体，7抽真空处理后的成形聚合物液体，8近圆柱面微凹槽阵列表面，9间隙块，10间隙块间形成的锐角三角形。
具体实施方式
下面结合图2和图3说明本发明提出的具体工艺的实施细节和工作情况。
制备近圆柱面微凹槽阵列表面的基于辅助平板预铺展的空气模法如附图2所示，主要包括四个步骤：制备微凹槽阵列表面；在辅助平板上预铺展液态成形聚合物；将铺展好的液态成形聚合物与微凹槽阵列表面接触形成液封；对成形聚合物进行抽真空成形、固化和分离操作，实现基于空气模法近圆柱面微凹槽阵列表面的制备。
首先需要通过一定的方法制备出微凹槽阵列表面1，该表面的制备方法可采用传统的微加工方法如激光直写加工方法和光刻加工方法制备，制备的微凹槽2深度大于微凹槽2宽度。采用激光直写加工时直接通过激光束作用于光滑表面，使光滑表面局部区域材料得以去除，通过多次重复的材料去除过程并控制激光束扫描特定路径即可获取特定的沟槽；采用光刻加工方法时，首先定制掩模板，再在一定的光滑基材上涂覆光刻胶，进而将掩模板的图案通过光刻曝光系统投影到光刻胶上，使光刻胶产生性能变化，经后续的显影、坚膜、腐蚀、去胶等工艺获取微凹槽阵列表面1。
其次是在辅助平板4上预铺展液态聚合物薄膜5。在辅助平板4上涂覆一层50～1500μm厚的液态成形聚合物薄膜5，对于通常处于液态的聚合物，将微量液态聚合物薄膜5(体积为50μL<V<1500μL)倾倒于辅助平板4上，通过匀胶机或利用重力使液态聚合物薄膜铺展到所需的厚度(50～1500μm)。
第三步是将铺展好的液态聚合物薄膜5与微凹槽阵列表面1接触形成液封。将微凹槽阵列表面1水平放置，在微凹槽阵列表面1的边缘空白位置放置间隙块9，如附图3所示，保证间隙块之间的连线形成间隙块间形成的锐角三角形10，并保证间隙块9厚度比铺展好的液态聚合物薄膜5厚度小10～50μm。而后将铺展好的液态聚合物薄膜5与微凹槽阵列表面1接触，此时液态成形聚合物在表面张力和气体压强的作用下形成特定的形状，即形成辅助平板与微凹槽阵列表面间的成形聚合物液体6，使微凹槽内部的残留气体被聚合物密封起来。
第四步是对成形聚合物进行抽真空成形、固化和分离操作，实现空气模法微结构制备。将上一步骤的微凹槽阵列表面1保持水平放置并连同辅助平板与微凹槽阵列表面间的成形聚合物液体6和辅助平板4送入真空干燥箱，根据设计的近圆柱面微凹槽曲率半径r，计算出真空干燥箱压强P＝P0-σ/r，其中P0为大气压强，σ为成形材料表面张力，对真空干燥箱抽真空至计算的压强值P，使成形聚合物液体变形为抽真空处理后的成形聚合物液体7。对抽真空处理后的成形聚合物液体7进行加热固化并从辅助平板4和微凹槽阵列表面1上分离下来，根据拉普拉斯方程中界面压强与界面曲率半径规律，由此获取的微凹槽结构为近圆柱面微凹槽结构，即形成近圆柱面微凹槽阵列表面8。
实施例1(液态聚合物薄膜5选用聚二甲聚硅氧烷PDMS，辅助平板4选用光滑Si表面，间隙块选用硅片碎片)
采用激光直写加工法制备普通的微凹槽阵列表面1，采用的激光光斑直径为20微米，扫描时激光光斑的搭接率为50％，即连续的两光斑间的距离为10微米，对待加工的凹槽区域实现面扫描，扫描次数为10次，其中基材表面选用1060铝板，加工后微凹槽宽度为50μm，深度为100μm，凹槽长2mm。在辅助的光滑Si表面上滴加300μL成形聚合物聚二甲聚硅氧烷PDMS(购置于美国道康宁公司，商品名Sylgard 184A)，待PDMS自由铺展3分钟，此时可获取涂敷液态PDMS薄膜的光滑平直硅片。将制备的微凹槽1060铝板水平放置，在微凹槽1060铝板边缘放置三片厚度为200μm的硅片碎片作为间隙块，再将铺展有液态PDMS薄膜的硅片放置在间隙块上，使PDMS薄膜密封住微凹槽内部的残留气体。保持水平状态将微凹槽1060铝板连同辅助光滑Si表面和液态PDMS送入到真空干燥箱内，设计曲率半径为50μm，经过计算得真空压强为100925Pa，根据该压强值抽真空，加热到60℃并保温2小时，结束后自然冷却，并从辅助平板和微凹槽阵列表面上分离出聚合物薄膜，即可获得具有宽度为50μm，深度为50μm的近圆柱面微凹槽阵列表面。
Claims (5)
1.一种用于制备近圆柱面微凹槽阵列表面的基于辅助平板预铺展的空气模法，其特征在于按照下述步骤进行：
(1)制备出具有微凹槽阵列的表面；再在一辅助平板上均匀地铺展一层待成形的液态聚合物薄膜；在微凹槽阵列表面的空白处放置间隙块；
(2)将铺展有液态聚合物薄膜的辅助平板放置于微凹槽阵列表面上的间隙块上，保持该状态送入真空干燥箱；
(3)根据设计的压强值设置真空干燥箱压强，进而加热固化聚合物材料，分离表面从而实现近圆柱面微凹槽阵列表面的制备；
上述方法步骤(1)中，需要首先制备出具有微凹槽阵列的表面，可通过传统的微加工方法如激光直写加工方法制备，采用的激光光斑直径在5微米～100微米之间，扫描时激光光斑的搭接率在30％～90％之间，对待加工的凹槽区域实现面扫描，扫描次数在5次～20次之间，制备的微凹槽深度大于微凹槽宽度。
2.根据权利要求所述的一种用于制备近圆柱面微凹槽阵列表面的基于辅助平板预铺展的空气模法，其特征在于步骤(1)中，在一辅助平板上均匀地铺展一层待成形的液态聚合物薄膜是：将液态聚合物材料PDMS(聚二甲聚硅氧烷)滴放于一辅助平板上并使液态聚合物自由铺展到所需的厚度，自由铺展时间在10s～300s之间，形成厚度范围为50～1500μm液态聚合物薄膜，液态聚合物薄膜铺展面积能够完全覆盖微凹槽阵列表面。
3.根据权利要求所述的一种用于制备近圆柱面微凹槽阵列表面的基于辅助平板预铺展的空气模法，其特征在于步骤(1)中，在微凹槽阵列表面的空白处放置间隙块是：准备厚度比液态聚合物薄膜厚度小10～50μm的间隙块3块，间隙块长宽范围在1×1mm到5×5mm之间，将三块间隙块放置于靠近微凹槽阵列表面边缘的空白处，且三块间隙块分散放置，间隙块间的连线形成锐角三角形。
4.根据权利要求所述的一种用于制备近圆柱面微凹槽阵列表面的基于辅助平板预铺展的空气模法，其特征在于步骤(2)中，将铺展有液态聚合物薄膜的辅助平板放置于微凹槽阵列表面上的间隙块上，保持该状态送入真空干燥箱是：将铺展有液态聚合物薄膜的辅助平板放置于微凹槽阵列表面上的间隙块上，使液态聚合物与微凹槽阵列表面接触，实现微凹槽内的气体的液封，并在后续操作过程中保持微凹槽阵列表面水平，以限制液态聚合物薄膜的流动，保持这种液态聚合物薄膜与微凹槽阵列表面间的的充分接触和水平状态，送入真空干燥箱以备处理。
5.根据权利要求所述的一种用于制备近圆柱面微凹槽阵列表面的基于辅助平板预铺展的空气模法，其特征在于步骤(2)中，根据设计的压强值设置真空干燥箱压强，进而加热固化聚合物材料，分离表面从而实现微圆柱面凹槽阵列表面的制备是：根据设计的近圆柱面微凹槽曲率半径r，计算出真空干燥箱压强P＝P0-σ/r，其中P0为大气压强，σ为液态成形聚合物表面张力，对真空干燥箱抽真空至计算的压强值P；调节温度至60℃保温2小时使成形聚合物薄膜固化；待固化过程结束后自然冷却，从微凹槽模板和辅助平板间分离出制备的固化薄膜即为近圆柱面微凹槽阵列表面。
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