CN115340693B - 一种可控图案化pdms模板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及聚合物微纳加工领域，提供了一种可控图案化PDMS模板的制备方法，包括如下步骤：(1)玻璃仪器的准备；(2)PEO/PVPh共混溶液的配制；(3)PEO/PVPh共混溶液的等温结晶；(4)具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的制备；(5)PDMS模板表面图案的制备。本发明的优点在于：提出了以PEO与PVPh共混薄膜结晶形貌图案作为母模板进行一种可控图案化PDMS模板的制备方法研究，该方法可通过工艺条件调节共混薄膜表面形貌实现对PDMS模板图案的控制，操作简单、成本低廉、工艺环保和图案易控等特点，可以广泛应用于不同聚合物薄膜表面的微纳加工。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物微纳加工领域，尤其涉及一种可控图案化PDMS模板的制备方法。
背景技术
在聚合物微纳加工领域中，模塑法是一种可以将聚合物薄膜表面进行图案化的技术手段。而在模塑法中，模板承担着至关重要的作用。目前，根据力学特性可以把模板分为刚性模板和柔性模板两类。刚性模板在纳米加工中有着较高的精度与稳定性，但存在着脆性高、成本高、工艺复杂和特殊曲面加工等方面的不足，而柔性模板的开发研究和应用可以弥补上述不足。
聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)是一种无色无味的有机硅聚合物，其化学稳定性高，导热能力强，具备高弹性以及高的抗剪切能力，同时还具有较好的温度适用范围，是一种理想的柔性模板材料。聚合物微纳加工领域往往将表面具有图案的PDMS薄膜作为柔性模板应用在聚合物图案化过程中。相对其他柔性模板，PDMS模板具有弹性模量低、黏附性能高、图案复制性能好、模板制作原料简单、重复使用率高、总体成本低等优势。因此，基于PDMS模板的图案化技术被广泛应用于微型芯片、光电器件以及薄膜材料改性等众多领域。
目前，关于图案化PDMS柔性模板的制备主要有传统的光刻与浇铸等技术手段。传统的光刻是将光刻胶旋涂在PDMS的表面，利用紫外光通过掩膜照射到附有光刻胶薄膜的PDMS表面，再利用显影技术将掩膜上的图案复制到光刻胶薄膜上，最后利用刻蚀技术将图案转移到PDMS上；该方法制得的模板图案精度高，但是其技术难度大且制造成本高，难以满足大规模的制备。液态浇铸方法是将PDMS液态预聚物填充到带有固定图案的母模板中，再通过加入固化剂使其交联固化，最后将固化后的PDMS弹性体与母模板分离获得图案化PDMS模板；因此，母模板的图案制备成为整个工艺方法的关键步骤，当前母模板的制备来源比较广泛，但是制备方法具有工艺繁琐、成本较高、图案单一、控制步骤复杂等需要改进的地方。由此可见，寻求一种制备工艺简单、成本低和可控制图案化的PDMS模板的制备方法具有重要的理论和实践指导意义。
聚氧化乙烯(PEO)是一种高结晶性的降解性聚合物，PEO的结晶极易受到外界条件的影响从而展现出不同的结晶形貌，因此，外界条件的改变(溶液结晶温度变化、溶液的浓度以及共混的比例)可以调控出不同形貌或不同尺寸的PEO薄膜图案。聚对羟基苯乙烯(PVPh)属于无定形性聚合物，在与PEO共混的过程中会形成氢键，氢键作用将会改变聚合物的结晶形貌。
据此，若能以PEO与PVPh共混薄膜结晶形貌图案作为母模板用于图案化PDMS模板研究，将有望获得一种制备工艺简单、成本低和可控制图案化的PDMS模板的制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种以PEO与PVPh共混薄膜结晶形貌图案作为母模板的可控图案化PDMS模板的制备方法，该方法可通过工艺条件调节共混薄膜表面形貌实现对PDMS模板图案的控制，且具有操作简单、成本低廉、工艺环保和图案易控等特点，可以广泛应用于不同聚合物薄膜表面的微纳加工。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种可控图案化PDMS模板的制备方法，包括如下步骤：
(1)玻璃仪器的准备：准备干净的玻璃仪器(目的在于避免玻璃仪器上的杂质影响PEO/PVPh共混薄膜的结晶形貌)；
(2)PEO/PVPh共混溶液的配制：配制一定浓度的PEO/PVPh共混溶液；
(3)PEO/PVPh共混溶液的等温结晶：共混溶液在一定的温度下进行等温结晶；
(4)具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的制备：制备具有相应结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜；
(5)PDMS模板表面图案的制备：制备表面具有图案的PDMS薄膜模板。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(1)具体如下：
①将玻璃仪器放入浓硫酸与过氧化氢混合溶液中处理；
②将处理后的玻璃仪器用镊子取出，依次分别经过去离子水、无水乙醇、异丙醇、无水乙醇中超声清洗，热台烘干待用。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(2)具体如下：
①称取PEO溶质和三氯甲烷溶剂于试剂瓶中配制PEO溶液；接着，将充分溶解的PEO溶液通过聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成PEO溶液的制备；
②称取PVPh溶质和四氢呋喃溶剂于试剂瓶中配制成PVPh溶液；接着，将充分溶解的PVPh溶液通过聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成PVPh溶液的制备；
③将PEO溶液和PVPh溶液混合，混合过程将PVPh溶液分三次加入PEO溶液中，每次间隔3分钟，并且该过程中用磁子持续搅拌，混合完成后继续搅拌3分钟，完成一定浓度的PEO/PVPh共混溶液的配制。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(2)中，最终配制完成的PEO/PVPh共混溶液浓度为5～10mg/mL，且其中的PEO/PVPh质量比为(9～7)/(1～3)。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)具体如下：
①将制备好的PEO/PVPh共混溶液放置60～100℃热台并保持2～10min，消除共混溶液的热历史；
②将消除过热历史的PEO/PVPh共混溶液迅速转移至25～35℃热台进行等温结晶，结晶时间不少于1h。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(4)具体如下：
用移液枪吸取等温结晶的PEO/PVPh共混溶液滴在处理干净的玻璃基底上，室温下利用匀胶机进行旋涂成膜，转速1000～9000rpm，旋涂时间100～180s；接着，将薄膜放入真空干燥箱中，消除薄膜中残余的溶剂，完成表面具有一定结晶图案的PEO/PVPh共混薄膜的制备。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(5)具体如下：
①将PDMS预聚体与交联剂按照15:1的质量比例混合，混合后将混合液充分搅拌均匀，得到均匀的PDMS预聚体和交联剂的混合物，在室温下将混合物放入真空干燥箱中进行真空脱气处理30min，完成PDMS溶液的制备；
②量取脱气后的PDMS溶液滴到步骤(4)制备的具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的表面，静置3h，使PDMS在薄膜表面填充饱满；随后，放入烘箱中，在50℃下交联12h，使PDMS完全交联固化成弹性体；
③将交联完全的PDMS弹性体连同PEO/PVPh共混薄膜一起放入去离子水中浸泡，多次去离子水洗涤，取出晾干，将PDMS模板与共混物薄膜分离；依次将PDMS模板放入去离子水、四氢呋喃、乙醇中超声清洗各10min，随后放在120℃热台上烘干30min，再放入真空干燥箱中23℃，保存12h；表面具有图案的PDMS模板薄膜制备完成。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(5)的①步骤中，预聚体与交联剂的配比可以根据需要更改，交联剂加入的比例过小会使得最终得到的PDMS弹性体弹性过大，易变形；若交联剂加入的比例过大会使得最终得到的PDMS弹性体弹性过小，易老化；
步骤(5)的②步骤中，PDMS模板的厚度由量取PDMS溶液的体积决定。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(4)与步骤(5)之间还包括PEO/PVPh共混薄膜的热退火处理：将制备好的PEO/PVPh共混薄膜加热至70～90℃，保温3～5min，随后转移至25～30℃热台，保温12～24h。
作为本发明的优选方式之一，通过改变所述PEO/PVPh共混溶液的浓度、共混溶液中PEO及PVPh的共混比例、PEO/PVPh共混溶液的等温结晶参数以及薄膜的热退火处理方式来对PEO/PVPh共混薄膜最终结晶形貌进行调控。
本发明技术原理：
本发明主要包含5个步骤：步骤1为玻璃仪器的准备；步骤2为PEO/PVPh共混溶液的配制；步骤3为PEO/PVPh共混溶液的等温结晶；步骤4为具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的制备；步骤5为PDMS模板表面图案的制备。其中，步骤2、步骤3、步骤4、步骤5为本发明的重要步骤。
步骤2、步骤3种中由于PEO是一种结晶性良好的结晶性聚合物。PEO的结晶极易受到外界条件的影响从而展现出不同的结晶形貌，通过对外界条件的改变(溶液结晶温度变化、溶液的浓度以及共混的比例)可以调控出不同形貌或不同尺寸的PEO薄膜图案。
步骤4中使用方法为溶液旋涂法。通过匀胶机高速旋转带来的离心力以及重力作用将配制好的PEO/PVPh共混溶液均匀的涂覆在固体基底上挥发成膜。所需的主要设备是匀胶机，主要流程为，清洗固体基底，配制PEO/PVPh共混溶液，利用匀胶机旋涂成膜，薄膜干燥去除剩余溶剂。旋涂的薄膜厚度受到PEO/PVPh共混溶液浓度，旋涂转速调控。相同转速条件下溶液的浓度越高薄膜厚度越厚，相同浓度条件下转速越小薄膜厚度越厚。
步骤5中使用方法为液态浇铸法。PDMS弹性体是通过在PDMS预聚物中加入固化剂形成的。PDMS预聚物状态为液态，具有流动性，可以很好的填充到具有可调节图案的PEO/PVPh共混薄膜薄膜模板中精确的复制模板信息。再通过加入固化剂使其交联固化成型，得到具有PEO/PVPh共混薄膜图案的弹性体。最后，利用PEO能溶于水但PDMS弹性体不溶于水的原理将其泡在去离子水中达到PEO薄膜与PDMS弹性体分离的目的，获得具有PEO/PVPh共混薄膜图案的PDMS模板。
本发明相比现有技术的优点在于：
(1)本发明并未涉及价格昂贵的仪器以及药品，并且操作过程简单，一定程度解决了传统光刻胶制备模板成本高，工艺繁琐的问题；
(2)PEO是一种可降解聚合物，本发明并未涉及有毒有害样品的处理，符合了绿色环保的理念；
(3)相对其他柔性模板，本发明PDMS模板具有弹性模量低、表面能高，模板在图案化过程中容易从聚合物表面简单分离，不用经过任何处理既可以实现图案稳定制备和成功分离；
(4)本发明PDMS模板具有大面积规整的图案，并且可以通过调节PEO/PVPh共混薄膜的结晶条件来调节模板的图案与尺寸，具有大范围微纳图案可控性，能够广泛地应用在聚合物微纳加工领域，并且可以反复清洗，重复利用。
附图说明
图1是实施例1中PEO/PVPh共混物溶液制备的共混物结晶薄膜原子力显微镜(AFM)高度图；
图2是实施例1中最终制备的PDMS模板的AFM高度图；
图3是实施例3中PEO/PVPh共混物溶液制备的共混物结晶薄膜AFM高度图；
图4是实施例3中热退火处理后的共混物结晶薄膜AFM高度图；
图5是实施例3中最终制备的PDMS模板的AFM高度图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
本发明可控图案化PDMS模板的制备方法，包括如下步骤：
1、干净玻璃仪器的准备(目的在于避免玻璃仪器上的杂质影响PEO/PVPh共混薄膜的结晶形貌)：
(1)为了有效去除玻璃表面有机物以及改善玻璃片的亲水性能，将玻璃仪器放入浓硫酸与过氧化氢(7：3的比例)混合溶液中处理2h。
(2)将处理后的玻璃仪器用镊子取出，依次分别经过去离子水、无水乙醇(分析纯)、异丙醇(分析纯)、无水乙醇(分析纯)中超声清洗各10min，热台烘干待用。
2、PEO/PVPh共混溶液的配制：
(1)称取一定量的PEO溶质和三氯甲烷溶剂于试剂瓶中配制PEO溶液；接着，为了纯化所配制PEO溶液，将充分溶解的PEO溶液通过孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成一定浓度的PEO溶液的制备；
(2)称取一定量的PVPh溶质和四氢呋喃溶剂于试剂瓶中配制成PVPh溶液；接着，为了纯化所配制PVPh溶液，将充分溶解的PVPh溶液通过孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成一定浓度的PVPh溶液的制备。
(3)将PEO溶液和PVPh溶液混合，混合过程将PVPh溶液分三次加入PEO溶液中，每次间隔3分钟，并且该过程中用磁子持续搅拌，混合完成后继续搅拌3分钟，完成浓度为5～10mg/mL、PEO/PVPh质量比为9:1、8:2或7:3的PEO/PVPh共混溶液的配制。
此处，PEO/PVPh共混溶液的浓度、共混溶液中PEO及PVPh的共混比例的具体选择是影响后续PEO/PVPh共混薄膜最终结晶形貌的关键之一。其中，“改变溶液的浓度”可对薄膜的厚度造成影响，薄膜厚度不同则会影响结晶形貌；薄膜的厚度不同，晶体的堆积方式不同，结晶排列的紧密性不同，从而形成不同的结晶形貌；因此可以通过调节溶液的溶度来调控PEO/PVPh共混薄膜结晶形貌。“改变共混比例”使共混溶液中所形成的氢键含量不同，对PEO结晶的抑制效果也不同，所以不同的共混比例下聚合物薄膜表面形貌有明显的改变，可通过调节共混比例对PEO/PVPh共混薄膜结晶形貌进行调控。
3、PEO/PVPh共混溶液的等温结晶：
(1)将制备好的PEO/PVPh共混溶液放置60～100℃热台并保持2～10min，消除共混溶液的热历史。
此处，热台温度和保持时间需要严格注意，热台温度过高或者在热台上保持时间过长会导致PEO降解，温度过低或时间过短会导致热历史消除不完全。其中，温度的选择：首先保证在PEO的熔点(62～65℃)之上，选择了60、80、100℃。时间的选择：选择了2min、5min、10min。将这些条件下的PEO溶液用相同的旋涂条件旋涂成膜并用原子力对PEO表面形貌进行表征发现：60℃下不同时间的PEO形貌重复性差，这说明在此温度下不能完全消除溶液中的热历史，保持溶液状态一致。100℃下不同时间的PEO没有良好的结晶形貌，说明此温度可能过高导致PEO部分降解降低了其结晶性能。80℃，10min情况与100℃条件类似。80℃，2min与5min的条件下，PEO结晶形貌良好稳定，具有可重复性，说明其在不被降解的情况下完全消除了热历史。
(2)将消除过热历史的PEO/PVPh共混溶液迅速转移至25～35℃热台进行等温结晶，结晶时间不少于1h。
此处，等温结晶温度与结晶时间的选择影响PEO晶体形貌和大小的形成，可以通过改变热台温度与持续时间来调节下一步步骤中PEO/PVPh共混薄膜的表面形貌。PEO的结晶形貌极易受到温度影响，温度在25～35℃范围内进行调节，持续时间不是决定性参数，大于1h即可。温度的变化会使下一步骤制作的PEO/PVPh共混薄膜的形貌及其晶体尺寸发生改变，不同的温度条件对应着不同的形貌，35℃，1h下配制的溶液旋涂出的PEO/PVPh共混薄膜表面图案结构完整。
4、具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的制备：
用移液枪吸取等温结晶的PEO/PVPh共混溶液滴在处理干净的玻璃基底上，室温下利用匀胶机进行旋涂成膜，转速1000～9000rpm，旋涂时间100～180s；接着，将薄膜放入真空干燥箱中，23℃的条件下保持12h消除薄膜中残余的溶剂，完成表面具有一定结晶图案的PEO/PVPh共混薄膜的制备。
此处，等温结晶溶液浓度、旋涂转速和旋涂时间的选择会影响制备PEO/PVPh共混薄膜的厚度。PEO/PVPh共混薄膜的厚度和PEO/PVPh共混溶液等温结晶的温度影响PEO/PVPh共混薄膜表面结晶形貌。等温结晶溶液浓度、旋涂转速和旋涂时间的选择会决定制备PEO薄膜的厚度。5mg/mL PEO/PVPh共混溶液，以转速9000rpm，旋涂时间100s旋涂，薄膜厚度为30nm。5mg/mL PEO/PVPh共混溶液，以转速1000rpm，旋涂时间100s旋涂，薄膜厚度为70nm。10mg/mL PEO/PVPh共混溶液，以转速9000rpm，旋涂时间100s旋涂，薄膜厚度为110nm。不同的厚度对应不同的形貌。经过表征发现，厚度为30nm的PEO/PVPh共混薄膜的表面图案结构完整，具有良好的重复性。
5、PDMS模板表面图案的制备：
(1)将PDMS预聚体与交联剂按照15:1的质量比例混合，混合后将混合液充分搅拌均匀，得到均匀的PDMS预聚体和交联剂的混合物，在室温下将混合物放入真空干燥箱中进行真空脱气处理30min，完成PDMS溶液的制备。
其中，预聚体与交联剂的配比可以根据需要制备更改，交联剂加入的比例过小会使得最终得到的PDMS弹性体弹性过大，易变形；若交联剂加入的比例过大会使得最终得到的PDMS弹性体弹性过小，易老化。PDMS预聚体和交联剂的混合物充分搅拌均匀的过程中会生成大量的气泡，影响PDMS薄膜的制备，所以对混合物进行真空脱气处理。
(2)量取脱气后的PDMS溶液滴到步骤4制备的具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的表面，静置3h，使PDMS在薄膜表面填充饱满；随后，放入烘箱中，在50℃下交联12h，使PDMS完全交联固化成弹性体。
其中，DMS模板的厚度主要由量取PDMS溶液的体积决定。50℃交联12h可以保证PEO结晶的形貌不会损坏的同时使PDMS交联固化。
(3)将交联完全的PDMS弹性体连同PEO/PVPh共混薄膜一起放入去离子水中浸泡，多次去离子水洗涤，取出晾干，将PDMS模板与共混物薄膜分离；依次将PDMS模板放入去离子水、四氢呋喃(分析纯)、乙醇(分析纯)中超声清洗各10min，随后放在120℃热台上烘干30min，再放入真空干燥箱中23℃，保存12h；表面具有图案的PDMS模板薄膜制备完成。
其中，由于PEO能溶于水但PDMS弹性体不溶于水，将PEO薄膜用水洗去，用四氢呋喃洗去表面的PVPh，随后通过热台加热和真空干燥除去PDMS中的四氢呋喃溶剂，即可得到表面具有图案的PDMS模板。
此外，需注意的是，所述步骤4与步骤5之间还可以增加“PEO/PVPh共混薄膜的热退火处理”步骤：
将制备好的PEO/PVPh共混薄膜加热至70～90℃，保温3～5min，随后转移至25～30℃热台，保温12～24h(先将薄膜加热至熔点以上熔融，随后放置于一定条件下等温结晶，等温结晶时，结晶条件与原始薄膜大不相同，结晶生长方式也会发生变化)。热退火后薄膜结晶形貌与退火前有较大差异，因此可通过对薄膜进行热退火处理对PEO/PVPh共混薄膜结晶形貌进行调控。
为了便于具体且详细地理解本发明，下面提供本发明的3个采用具体参数选择的实施例进行说明：
实施例1
本实施例的一种可控图案化PDMS模板的制备方法，包括如下步骤：
1、干净玻璃仪器的准备：
(1)为了有效去除玻璃表面有机物以及改善玻璃片的亲水性能，将玻璃仪器放入浓硫酸与过氧化氢(7：3的比例)混合溶液中处理2h。
(2)将处理后的玻璃仪器用镊子取出，依次分别经过去离子水、无水乙醇(分析纯)、异丙醇(分析纯)、无水乙醇(分析纯)中超声清洗各10min，热台烘干待用。
2、PEO/PVPh共混溶液的配制：
(1)称取一定量的PEO溶质和三氯甲烷溶剂于试剂瓶中配制8mg/mL PEO溶液；接着，为了纯化所配制PEO溶液，将充分溶解的PEO溶液通过孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成一定浓度的PEO溶液的制备。
(2)称取一定量的PVPh溶质和四氢呋喃溶剂于试剂瓶中配制成2mg/mL PVPh溶液；接着，为了纯化所配制PVPh溶液，将充分溶解的PVPh溶液通过孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成一定浓度的PVPh溶液的制备。
(3)将PEO溶液和PVPh溶液按照体积比1/1混合，混合过程将PVPh溶液分三次加入PEO溶液中，每次间隔3分钟，并且该过程中用磁子持续搅拌，混合完成后继续搅拌3分钟，完成浓度为5mg/mL、PEO/PVPh质量比为8/2的PEO/PVPh共混溶液的配制。
3、PEO/PVPh共混溶液的等温结晶：
(1)将制备好的PEO/PVPh共混溶液放置80℃热台并保持2min，消除共混溶液的热历史。
(2)将消除过热历史的PEO/PVPh共混溶液迅速转移至35℃热台进行等温结晶，结晶时间1h。
4、具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的制备：
用移液枪吸取25μL等温结晶的PEO/PVPh共混溶液滴在处理干净的玻璃基底上，室温下利用匀胶机进行旋涂成膜，转速9000rpm，旋涂时间100s；接着，将薄膜放入真空干燥箱中，23℃的条件下保持12h消除薄膜中残余的溶剂，完成表面具有一定结晶图案的30nm厚度的PEO/PVPh共混薄膜的制备(外貌如图1所示)。
5、PDMS模板表面图案的制备：
(1)将PDMS预聚体与交联剂按照15:1的质量比例混合，混合后将混合液充分搅拌均匀，得到均匀的PDMS预聚体和交联剂的混合物，在室温下将混合物放入真空干燥箱中进行真空脱气处理30min，完成PDMS溶液的制备。
(2)量取1mL脱气后的PDMS溶液滴到步骤4制备的具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的表面，静置3h，使PDMS在薄膜表面填充饱满；随后，放入烘箱中，在50℃下交联12h，使PDMS完全交联固化成弹性体。
(3)将交联完全的PDMS弹性体连同PEO/PVPh共混薄膜一起放入去离子水中浸泡，多次去离子水洗涤，取出晾干，将PDMS模板与共混物薄膜分离；依次将PDMS模板放入去离子水、四氢呋喃(分析纯)、乙醇(分析纯)中超声清洗各10min，随后放在120℃热台上烘干30min，再放入真空干燥箱中23℃，保存12h；表面具有图案的PDMS模板薄膜制备完成(外貌如图2所示)。
实施例2
本实施例的一种可控图案化PDMS模板的制备方法，包括如下步骤：
1、干净玻璃仪器的准备：
(1)为了有效去除玻璃表面有机物以及改善玻璃片的亲水性能，将玻璃仪器放入浓硫酸与过氧化氢(7：3的比例)混合溶液中处理2h。
(2)将处理后的玻璃仪器用镊子取出，依次分别经过去离子水、无水乙醇(分析纯)、异丙醇(分析纯)、无水乙醇(分析纯)中超声清洗各10min，热台烘干待用。
2、PEO/PVPh共混溶液的配制：
(1)称取一定量的PEO溶质和三氯甲烷溶剂于试剂瓶中配制8mg/mL PEO溶液；接着，为了纯化所配制PEO溶液，将充分溶解的PEO溶液通过孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成一定浓度的PEO溶液的制备；
(2)称取一定量的PVPh溶质和四氢呋喃溶剂于试剂瓶中配制成2mg/mL PVPh溶液；接着，为了纯化所配制PVPh溶液，将充分溶解的PVPh溶液通过孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成一定浓度的PVPh溶液的制备。
(3)将PEO溶液和PVPh溶液按照体积比1/1混合，混合过程将PVPh溶液分三次加入PEO溶液中，每次间隔3分钟，并且该过程中用磁子持续搅拌，混合完成后继续搅拌3分钟，完成浓度为5mg/mL、PEO/PVPh质量比为8/2的PEO/PVPh共混溶液的配制。
3、PEO/PVPh共混溶液的等温结晶：
(1)将制备好的PEO/PVPh共混溶液放置80℃热台并保持5min，消除共混溶液的热历史。
(2)将消除过热历史的PEO/PVPh共混溶液迅速转移至35℃热台进行等温结晶，结晶时间1h。
4、具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的制备：
用移液枪吸取25μL等温结晶的PEO/PVPh共混溶液滴在处理干净的玻璃基底上，室温下利用匀胶机进行旋涂成膜，转速1000rpm，旋涂时间100s；接着，将薄膜放入真空干燥箱中，23℃的条件下保持12h消除薄膜中残余的溶剂，完成表面具有一定结晶图案的70nm厚度的PEO/PVPh共混薄膜的制备。
5、PDMS模板表面图案的制备：
(1)将PDMS预聚体与交联剂按照15:1的质量比例混合，混合后将混合液充分搅拌均匀，得到均匀的PDMS预聚体和交联剂的混合物，在室温下将混合物放入真空干燥箱中进行真空脱气处理30min，完成PDMS溶液的制备。
(2)量取1mL脱气后的PDMS溶液滴到步骤4制备的具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的表面，静置3h，使PDMS在薄膜表面填充饱满；随后，放入烘箱中，在50℃下交联12h，使PDMS完全交联固化成弹性体。
(3)将交联完全的PDMS弹性体连同PEO/PVPh共混薄膜一起放入去离子水中浸泡，多次去离子水洗涤，取出晾干，将PDMS模板与共混物薄膜分离；依次将PDMS模板放入去离子水、四氢呋喃(分析纯)、乙醇(分析纯)中超声清洗各10min，随后放在120℃热台上烘干30min，再放入真空干燥箱中23℃，保存12h；表面具有图案的PDMS模板薄膜制备完成。
实施例3
本实施例的一种可控图案化PDMS模板的制备方法，包括如下步骤：
1、干净玻璃仪器的准备
(1)为了有效去除玻璃表面有机物以及改善玻璃片的亲水性能，将玻璃仪器放入浓硫酸与过氧化氢(7：3的比例)混合溶液中处理2h。
(2)将处理后的玻璃仪器用镊子取出，依次分别经过去离子水、无水乙醇(分析纯)、异丙醇(分析纯)、无水乙醇(分析纯)中超声清洗各10min，热台烘干待用。
2、PEO/PVPh共混溶液的配制：
(1)称取一定量的PEO溶质和三氯甲烷溶剂于试剂瓶中配制16mg/mLPEO溶液；接着，为了纯化所配制PEO溶液，将充分溶解的PEO溶液通过孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成一定浓度的PEO溶液的制备。
(2)称取一定量的PVPh溶质和四氢呋喃溶剂于试剂瓶中配制成4mg/mL PVPh溶液；接着，为了纯化所配制PVPh溶液，将充分溶解的PVPh溶液通过孔径为0.45μm的聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成一定浓度的PVPh溶液的制备。
(3)将PEO溶液和PVPh溶液按照体积比1:1混合，混合过程将PVPh溶液分三次加入PEO溶液中，每次间隔3分钟，并且该过程中用磁子持续搅拌，混合完成后继续搅拌3分钟，完成浓度为10mg/mL、PEO/PVPh质量比为8/2的PEO/PVPh共混溶液的配制。
3、PEO/PVPh共混溶液的等温结晶：
(1)将制备好的PEO/PVPh共混溶液放置80℃热台并保持2min，消除共混溶液的热历史。
(2)将消除过热历史的PEO/PVPh共混溶液迅速转移至35℃热台进行等温结晶，结晶时间1h。
4、具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的制备：
用移液枪吸取25μL等温结晶的PEO/PVPh共混溶液滴在处理干净的玻璃基底上，室温下利用匀胶机进行旋涂成膜，转速9000rpm，旋涂时间100s；接着，将薄膜放入真空干燥箱中，23℃的条件下保持12h消除薄膜中残余的溶剂，完成表面具有一定结晶图案的110nm厚度的PEO/PVPh共混薄膜的制备(外貌如图3所示)。
此时，PEO/PVPh共混薄膜的表面图案结构相对完整，但较实施例1的薄膜表面的起伏更大，晶体生长的更为致密。
5、PEO/PVPh共混薄膜的热退火处理：
将制备好的PEO/PVPh共混薄膜加热至80℃，保温3min，随后转移至30℃热台，保温24h。热退火后薄膜结晶形貌(外貌如图4所示)与退火前有较大差异。
6、PDMS模板表面图案的制备：
(1)将PDMS预聚体与交联剂按照15:1的质量比例混合，混合后将混合液充分搅拌均匀，得到均匀的PDMS预聚体和交联剂的混合物，在室温下将混合物放入真空干燥箱中进行真空脱气处理30min，完成PDMS溶液的制备。
(2)量取1mL脱气后的PDMS溶液滴到步骤4制备的具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的表面，静置3h，使PDMS在薄膜表面填充饱满；随后，放入烘箱中，在50℃下交联12h，使PDMS完全交联固化成弹性体。
(3)将交联完全的PDMS弹性体连同PEO/PVPh共混薄膜一起放入去离子水中浸泡，多次去离子水洗涤，取出晾干，将PDMS模板与共混物薄膜分离；依次将PDMS模板放入去离子水、四氢呋喃(分析纯)、乙醇(分析纯)中超声清洗各10min，随后放在120℃热台上烘干30min，再放入真空干燥箱中23℃，保存12h；表面具有图案的PDMS模板薄膜制备完成(外貌如图5所示)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可控图案化PDMS模板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)玻璃仪器的准备：准备干净的玻璃仪器；
(2)PEO/PVPh共混溶液的配制：配制浓度5～10mg/mL的PEO/PVPh共混溶液，且其中，PEO/PVPh质量比为(9～7)/(1～3)；
(3)PEO/PVPh共混溶液的等温结晶：①将制备好的PEO/PVPh共混溶液放置60～100℃热台并保持2～10min，消除共混溶液的热历史；②将消除过热历史的PEO/PVPh共混溶液迅速转移至25～35℃热台进行等温结晶，结晶时间不少于1h；
(4)具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的制备：制备具有相应结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜；
(5)PEO/PVPh共混薄膜的热退火处理：将制备好的PEO/PVPh共混薄膜加热至70～90℃，保温3～5min，随后转移至25～30℃热台，保温12～24h；
(6)PDMS模板表面图案的制备：制备表面具有图案的PDMS薄膜模板；
其中，通过改变所述PEO/PVPh共混溶液的浓度、共混溶液中PEO及PVPh的共混比例、PEO/PVPh共混溶液的等温结晶参数以及薄膜的热退火处理方式来对PEO/PVPh共混薄膜最终结晶形貌进行调控。
2.根据权利要求1所述的可控图案化PDMS模板的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)具体如下：
①将玻璃仪器放入浓硫酸与过氧化氢混合溶液中处理；
②将处理后的玻璃仪器用镊子取出，依次分别经过去离子水、无水乙醇、异丙醇、无水乙醇中超声清洗，热台烘干待用。
3.根据权利要求1所述的可控图案化PDMS模板的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)具体如下：
①称取PEO溶质和三氯甲烷溶剂于试剂瓶中配制PEO溶液；接着，将充分溶解的PEO溶液通过聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成PEO溶液的制备；
②称取PVPh溶质和四氢呋喃溶剂于试剂瓶中配制成PVPh溶液；接着，将充分溶解的PVPh溶液通过聚四氟乙烯过滤器进行过滤，完成PVPh溶液的制备；
③将PEO溶液和PVPh溶液混合，混合过程将PVPh溶液分三次加入PEO溶液中，每次间隔3分钟，并且该过程中用磁子持续搅拌，混合完成后继续搅拌3分钟，完成一定浓度的PEO/PVPh共混溶液的配制。
4.根据权利要求1所述的可控图案化PDMS模板的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)具体如下：
用移液枪吸取等温结晶的PEO/PVPh共混溶液滴在处理干净的玻璃基底上，室温下利用匀胶机进行旋涂成膜，转速1000～9000rpm，旋涂时间100～180s；接着，将薄膜放入真空干燥箱中，消除薄膜中残余的溶剂，完成表面具有一定结晶图案的PEO/PVPh共混薄膜的制备。
5.根据权利要求1所述的可控图案化PDMS模板的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)具体如下：
①将PDMS预聚体与交联剂按照15:1的质量比例混合，混合后将混合液充分搅拌均匀，得到均匀的PDMS预聚体和交联剂的混合物，在室温下将混合物放入真空干燥箱中进行真空脱气处理30min，完成PDMS溶液的制备；
②量取脱气后的PDMS溶液滴到步骤(4)制备的具有结晶形貌的PEO/PVPh共混薄膜的表面，静置3h，使PDMS在薄膜表面填充饱满；随后，放入烘箱中，在50℃下交联12h，使PDMS完全交联固化成弹性体；
③将交联完全的PDMS弹性体连同PEO/PVPh共混薄膜一起放入去离子水中浸泡，多次去离子水洗涤，取出晾干，将PDMS模板与共混物薄膜分离；依次将PDMS模板放入去离子水、四氢呋喃、乙醇中超声清洗各10min，随后放在120℃热台上烘干30min，再放入真空干燥箱中23℃，保存12h；表面具有图案的PDMS模板薄膜制备完成。
6.根据权利要求5所述的可控图案化PDMS模板的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)的①步骤中，预聚体与交联剂的配比可以根据需要更改，交联剂加入的比例过小会使得最终得到的PDMS弹性体弹性过大，易变形；若交联剂加入的比例过大会使得最终得到的PDMS弹性体弹性过小，易老化；
步骤(6)的②步骤中，PDMS模板的厚度由量取PDMS溶液的体积决定。
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Also Published As
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| CN115340693A (zh) | 2022-11-15 |
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