CN113458513B - 一种基于涂覆多孔聚合物掩膜的电解加工微结构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种基于涂覆多孔聚合物掩膜的电解加工微结构方法，包括以下步骤：金属工件表面清洗与亲水性处理；将亲水性表面涂覆聚苯乙烯‑b‑聚丙烯酸与有机溶剂CS2配制的聚合物溶液，迅速将其放在恒流速、恒湿度的气流中，随有机溶剂的快速挥发，气流中的水蒸气在聚合物溶液表面冷凝成微型水滴，随后，有机溶剂挥发、微型水滴长大、下降与挥发并存，待有机溶剂与微型水滴完全挥发，且聚合物溶液完全固化后，以微型水滴为模板形成含有大量微通孔的多孔聚合物膜；以金属工件为阳极，多孔聚合物膜为掩膜，进行电解加工，得到所需的微结构。本发明制备的多孔聚合物掩膜与工件压贴效果好、表面形状适应性强、工艺成本低、设备简单、易于实现。

Description

一种基于涂覆多孔聚合物掩膜的电解加工微结构方法
技术领域
本发明涉及微结构的掩模电解加工方法，尤其涉及一种基于涂覆多孔聚合物掩膜的电解加工微结构方法，属于电化学加工领域。
背景技术
微尺度凹坑、孔、槽等金属微结构化常是相关产品关键功能和重要性能主控载体，具有改善表面摩擦特性、增强传热效果、抗污抗粘、自洁等特性。金属微结化构制造一直是先进制造领域的研究热点，目前金属微结构化的主要加工方法有机械加工、激光加工、化学刻蚀加工、掩模电解等。掩膜电解因具有加工范围广、加工速度快、可一次形成数量众多且形状各异的群微结构而备受青睐，广泛应用于微结构加工制备中。传统的掩膜电解加工技术采用光刻工艺来制备掩膜，该工艺制作过程中需要涂胶、前烘、曝光、后烘、显影等一系列操作，操作较为复杂，并且需要专用的设备才可以制备掩膜，加工成本较高。
为了解决上述难题，公开号为 CN109014462A的发明专利公布了一种金属表面微结构电解加工装置，该专利通过利用绝缘粒子作为掩膜来电解加工出微织构，然而在实际实验中，绝缘粒子粒径相差较大，难以对其进行压贴，影响加工质量。公开号为CN110369815A的发明专利公布了一种电解加工微织构的方法。该方法通过在工件阳极表面铺设电化学惰性的金属微粒子层来作为掩膜进行加工，但在实际操作中金属微粒子的排布难以均匀有序且金属微粒子层难以达到统一均匀厚度，进而影响了加工效果。为此，有必要开发一种兼顾工艺简单、经济性高以及掩膜与工件表面压贴性良好的金属微结构制备方法。
发明内容
本发明旨在提供一种工艺简单、工艺成本低、掩膜适应性好的金属微结构制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案，包括以下步骤：
（a）对金属工件的待加工区域按顺序进行打磨、抛光、除油、水洗、干燥、亲水性处理；
（b）把双亲性的嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚丙烯酸与有机溶剂CS2配制成浓度为2mg/ml~5mg/ml的聚合物溶液，将聚合物溶液均匀涂覆在待加工区域上；
（c）在20℃~25℃的室温下，将涂覆有聚合物溶液的金属工件迅速放入流速为1L/min~3L/min、湿度为70%~90%的恒流速恒湿度气流环境中，此时，聚合物溶液中的有机溶剂挥发导致聚合物溶液表面温度降低，水蒸气便在其表面冷凝成微型水滴，此后，有机溶剂挥发、聚合物溶液表面下降、微型水滴的长大、下降与挥发并行发生，有机溶剂优于微型水滴挥发完毕，待微型水滴完全挥发以及聚合物溶液完全固化后，以微型水滴为模板形成含有大量孔径为2μm~7μm微通孔的多孔聚合物膜；
（d）取出金属工件并对其非加工区表面贴敷电绝缘掩膜，然后以金属工件为阳极，在电解槽中对金属工件的待加工区域进行电解加工，此时，待加工区域表面因覆盖有多孔聚合物膜而发生选择性电化学溶解，进而形成大量微结构；
（e）当微结构大小达到设定要求后，停止电解加工，取出金属工件，去除电绝缘掩膜和多孔聚合物膜，完成加工。
所述的聚苯乙烯-b-聚丙烯酸的相对分子量为4000~10000。
所述的多孔聚合物膜的厚度为1μm~3μm。
本发明的加工原理如下。
工件亲水表面均匀涂覆一层有机溶剂和双亲性嵌段共聚物组成的聚合物溶液，将其放在一定湿度和流速的恒气流环境下，聚合物溶液中的有机溶剂快速挥发，导致溶液表面温度降低并达到水蒸气露点以下，空气中的水蒸气便在聚合物溶液表面发生冷凝形成微型水滴阵列而悬浮在其上，因水相对于聚合物溶液是一种非溶剂，聚合物在微型水滴的周围发生凝胶化，使微型水滴稳定并防止其聚结。在毛细血管力的作用下，微型水滴自组装成规则有序结构。随着有机溶剂的进一步蒸发，聚合物溶液厚度减小，水滴继续生长，并沉积到溶液内部。有机溶剂优于微型水滴挥发完毕，微型水滴充当了膜孔模板的角色，在微型水滴完全蒸发及聚合物溶液完全固化后，以微型水滴为模板，在微型水滴位置便出现穿透的微通孔结构。最终在工件表面形成带微通孔的多孔聚合物膜，其微通孔孔径随气流流速和湿度变化而变化，以此多孔聚合物膜为掩膜进行电解，即形成微结构。
与现有技术相比，本发明的优点是。
（1）制备的多孔聚合物掩膜与工件压贴效果好，对工件表面形状适应性强，所得掩膜微通孔直径均一、可调。
（2）工艺成本低、易于实现。本发明的制备方法不需要特殊设备、原料成本低，工艺过程易于控制。
（3）工艺简单，效率高。本发明的多孔聚合物掩膜制备时省略了其他方法的繁琐步骤，制备时间短。
附图说明
图1是在工件表面制备多孔聚合物掩模的流程示意图。
图2是工件表面覆盖有微通孔多孔聚合物膜的三维图。
图3是在覆盖有多孔聚合物膜工件上的非加工区贴敷电绝缘层的示意图。
图4是多孔聚合物掩膜电解加工微结构的原理图。
图5是工件表面制得的微结构示意图。
图中标号及名称：1、工件；1-1、非加工区；1-2、待加工区；2、聚合物溶液；3、水蒸气；4、有机溶剂挥发；5、微型水滴；6、微型水滴挥发；7、多孔聚合物膜；7-1、微通孔； 8、电绝缘掩膜；9、电源；10、阴极；11、电解液；12、电解槽；13、微结构。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段便于更加容易理解，下面通过具体的实施实例并结合附图对本发明专利进一步描述。
一种涂覆式掩膜电解加工微织构的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
（a）对金属工件1表面按顺序进行打磨、抛光、除油、水洗、干燥、亲水性处理；
（b）把双亲性的嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚丙烯酸与有机溶剂CS2配制成浓度为2.5mg/ml的聚合物溶液2，将配置好的聚合物溶液2均匀涂覆在304不锈钢工件的亲水表面上；
（c）如图1所示，在22℃的室温下，将涂覆有聚合物溶液2的304 不锈钢工件1迅速放在流速为2L/min、湿度为90%的恒流速恒湿度气流环境中。由于聚合物溶液2中有机溶剂的快速挥发导致聚合物溶液2表面温度降低，恒流速恒湿度气流环境中的水蒸气3在聚合物溶液2表面冷凝成微型水滴5，此后，有机溶剂挥发4、聚合物溶液2表面下降、微型水滴5的长大、下降与挥发6并行发生，有机溶剂CS2优于微型水滴5挥发完毕，待微型水滴5完全挥发以及聚合物溶液2完全固化后，304 不锈钢工件1表面便覆盖一层厚1.2μm并以微型水滴5为模板所形成的含有大量孔径为5μm微通孔7-1的多孔聚合物膜7；
（d）如图2所示，取出304 不锈钢工件1并对其非加工区1-1上贴敷一层电绝缘掩膜8，如图3所示。将304 不锈钢工件1为阳极放在电解槽12中，并浸没在质量分数为20%的NaNO3 电解液11中，与电源9的正极相连，将材质为 304 不锈钢的阴极10在电解槽12中与304 不锈钢工件1正对放置且与电源9的负极相连。接通电源9，对304 不锈钢工件1的待加工区1-2进行电解加工，此时，待加工区1-2以多孔聚合物膜7为掩膜，质量分数为20%的NaNO3电解液11经过多孔聚合物膜7中的微通孔7-1到达 304 不锈钢工件 1 的待加工区域1-2的局部区域，与质量分数为20%的 NaNO3的电解液11接触的待加工区域 1-2 在电压的作用下发生电化学溶解腐蚀加工，进而形成大量微结构13；
（e）当微结构13的大小达到要求值后，断开电源9，停止电解加工，取出304 不锈钢工件1，依次去除电绝缘掩膜8和多孔聚合物膜7，完成加工，如图4所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，实际上还可以采用其他电解液，在其他金属平面或者曲面上制备微结构，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于涂覆多孔聚合物掩膜的电解加工微结构方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)对金属工件(1)表面按顺序进行打磨、抛光、除油、水洗、干燥、亲水性处理；
(b)把双亲性的嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚丙烯酸与有机溶剂CS2配制成浓度为2mg/ml～5mg/ml的聚合物溶液(2)，将聚合物溶液(2)均匀涂覆在处理后的金属工件(1)表面上；
(c)在20℃～25℃的室温下，将涂覆有聚合物溶液(2)的金属工件(1)迅速放入流速为1L/min～3L/min、湿度为70％～90％的恒流速恒湿度气流环境中，此时，聚合物溶液(2)中的有机溶剂挥发(4)导致聚合物溶液(2)表面温度降低，恒流速恒湿度气流环境中的水蒸气(3)便在其表面冷凝成微型水滴(5)，此后，有机溶剂挥发(4)、聚合物溶液(2)表面下降、微型水滴(5)的长大、下降与挥发(6)并行发生，有机溶剂优于微型水滴(5)挥发完毕，待微型水滴(5)完全挥发以及聚合物溶液(2)完全固化后，以微型水滴(5)为模板形成含有大量孔径为2μm～7μm微通孔(7-1)的多孔聚合物膜(7)；
(d)取出金属工件(1)并对其非加工区(1-1)表面贴敷电绝缘掩膜(8)，然后以金属工件(1)为阳极，在电解槽(12)中对金属工件(1)的待加工区域(1-2)进行电解加工，此时，待加工区域(1-2)表面因覆盖有多孔聚合物膜(7)而发生选择性电化学溶解，进而形成大量微结构(13)；
(e)当微结构(13)大小达到设定要求后，停止电解加工，取出金属工件(1)，依次去除电绝缘掩膜(8)和多孔聚合物膜(7)，完成加工；
所述的多孔聚合物膜(7)的厚度为1μm～3μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔聚合物掩膜的电解加工微结构方法，其特征在于：所述的聚苯乙烯-b-聚丙烯酸的相对分子量为4000～10000。
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