一種采用室溫反壓印技術(shù)制備熱塑性聚合物多級結(jié)構(gòu)的方法與流程

本發(fā)明涉及材料微納加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用室溫反壓印技術(shù)制備熱塑性聚合物多級結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)：

多級結(jié)構(gòu)材料指以不同尺度或不同化學組份的結(jié)構(gòu)基元通過多種相互作用搭建而成的構(gòu)筑物質(zhì)，具有高比表面積、高孔隙率和低密度等特性，在催化、生物、能量存儲、光電子、鋰離子電池等眾多領(lǐng)域具有廣泛應用。人們通過研究發(fā)現(xiàn)飛蛾的眼角膜排列成六角形陣列，上面有很多細小的凸形納米陣列，這種復合結(jié)構(gòu)使得飛蛾的眼角膜表現(xiàn)出很強的消反射效果。通過模仿飛蛾復眼的這種多級結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)折射系數(shù)從空氣到基底的緩慢變化從而減少反射光的損失，進而應用于太陽能電池和光電設(shè)備等領(lǐng)域。同時人們還發(fā)現(xiàn)水稻葉在平行于葉脈方向有約50μm左右的大溝槽，在溝槽上又分布著無數(shù)直徑為5μm左右的微柱，從而使水滴落在水稻上時會沿著葉脈方向落下。模仿水稻葉的這種各向異性疏水性制備的多級材料可以應用于微流體領(lǐng)域。

多級結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)筑方法主要包括自組裝法、仿生法、模板法等。例如，CN104476895A報道了一種模板壓印和表面起皺相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法，通過改變模板壓印得到的一級形貌與表面起皺得到的二級形貌相交角度,控制復合形貌的各向異性；CN1919720報道了一種制備多級硅納米器件的方法，結(jié)合掃描探針顯微鏡分辨率高、操作靈活的優(yōu)點和微電子工業(yè)中已經(jīng)相對成熟的化學濕法刻蝕技術(shù)，實現(xiàn)了多級結(jié)構(gòu)的制備加工。目前構(gòu)筑多級結(jié)構(gòu)的方法工藝比較復雜，而且需要特殊的儀器和設(shè)備，難于實現(xiàn)大面積的制備，限制了多級結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了克服傳統(tǒng)模板法制備多級材料過程中的設(shè)備高昂、操作復雜及耗時較長的缺點，提供了一種常溫、常壓、快速制備熱塑性聚合物多級結(jié)構(gòu)的方法。

按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述的一種采用室溫反壓印技術(shù)制備熱塑性聚合物多級結(jié)構(gòu)的方法，其特征是，包括以下步驟：

(1)首先通過超聲和加熱，將熱塑性聚合物固體溶解到溶劑中，溶劑的選擇遵循相似相容的極性原則，得到熱塑性聚合物溶液；

(2)然后在凸凹結(jié)構(gòu)的軟模板表面旋涂或噴涂熱塑性聚合物溶液，待溶劑揮發(fā)完畢，得到表面附有熱塑性聚合物的軟模板；

(3)然后通過氧等離子體或紫外臭氧處理，使得步驟(2)中軟模板上的熱塑性聚合物表面產(chǎn)生大量羥基，從而達到親水效果；

(4)最后在室溫下將經(jīng)過步驟(3)處理后的表面附有熱塑性聚合物的軟模板與親水基底接觸，熱塑性聚合物表面的羥基與基底表面的羥基發(fā)生氫鍵作用，經(jīng)過5～600s后，將軟模板從基底表面分離開，軟模板表面的熱塑性聚合物轉(zhuǎn)移到基底表面，得到熱塑性聚合物一級結(jié)構(gòu)；。

(5)將步驟(4)中得到熱塑性聚合物一級結(jié)構(gòu)為基底重復上述步驟(2)～(4)一次或者多次，得到該聚合物二級結(jié)構(gòu)及多級結(jié)構(gòu)。

進一步的，步驟(1)中的熱塑性聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚二丁烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯-丁二烯共聚物、聚對苯乙烯-聚氧化乙烯共聚物、ABS樹脂、聚丙烯酰胺、聚環(huán)氧乙烷。

進一步的，步驟(2)、(3)及(4)中的軟模板包括聚二甲基硅氧烷模板、三元乙丙橡膠模板、全氟聚醚模板、聚氨酯丙烯酸酯模板。

進一步的，步驟(4)中的基底包括平面及曲面的硅片、氧化硅片、砷化鎵片、石英片、導電玻璃片、聚合物片。

進一步的，步驟(4)中的親水基底是通過氧等離子體、紫外臭氧或親水溶液處理基底而得到的。

進一步的，步驟(4)中溶液處理親水方法是將基底放在氨水和雙氧水的混合水溶液中，或?qū)⒒追旁跐饬蛩岷碗p氧水的混合溶液中，在50～90℃加熱條件下進行處理。

進一步的，步驟(4)中的室溫為0～40℃。

本發(fā)明具有以下優(yōu)越性：

(1)熱塑性聚合物在常溫常壓下進行圖案化，避免了高溫高壓耗能的過程；

(2)熱塑性聚合物圖案化過程中無需價格高昂的設(shè)備，耗時短，提高圖案化效率；

(3)通過使用不同的模板或相同模板可制備出多種的多級結(jié)構(gòu)；

(4)制備的多級結(jié)構(gòu)可以在疏水材料和消反射材料上有所應用。

附圖說明

圖1為實施例1中采用室溫反壓印技術(shù)制備的聚甲基丙烯酸甲酯二級結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片；

圖2為實施例1中采用室溫反壓印技術(shù)制備的聚甲基丙烯酸甲酯一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)及無結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的反射率曲線；

圖3為實施例2中采用室溫反壓印技術(shù)制備的聚甲基丙烯酸甲酯二級結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。

具體實施方式

實施例1

步驟一：熱塑性聚合物的溶解

將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)固體超聲加熱溶解到丙酮溶液中，配制成質(zhì)量濃度為2.5％的PMMA溶液。

步驟二：軟模板的制備

稱取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的預聚體和引發(fā)劑，質(zhì)量比為10：1，攪拌混合；然后澆鑄在條帶寬度為3μm、間距為1μm的硅模板及條帶寬度為1μm、間距為1μm的硅模板的表面，在60℃的環(huán)境下固化；固化后將PDMS與硅模板分離，即得到條帶寬度為1μm、間距為3μm的PDMS軟模板(PDMS-1)和條帶寬度為1μm、間距為1μm的PDMS軟模板(PDMS-2)。

步驟三：在軟模板表面旋涂熱塑性聚合物

在旋轉(zhuǎn)速度為4000rpm、旋轉(zhuǎn)時間為30s的條件下，將PMMA溶液分別旋涂在PDMS-1和PDMS-2軟模板表面，得到表面附有PMMA的PDMS軟模板。

步驟四：軟模板表面熱塑性聚合物的親水

用氧等離子體處理PDMS-1和PDMS-2表面的PMMA，保證PMMA表面親水，其條件為：氧氣流量是100mL/min，功率為45W，時間為30s。

步驟五：基底的親水處理

采用溶液法對基底進行親水，具體是將硅片放在體積比為7：3的濃硫酸和雙氧水的混合溶液中，在90℃加熱2h。取出后蒸餾水沖洗，氮氣吹干待用。

步驟六：熱塑性聚合物一級結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PMMA的PDMS-1軟模板與親水硅片基底接觸，經(jīng)過60s后，將軟模板從硅片基底表面分離開，PDMS-1表面的PMMA轉(zhuǎn)移到基底表面，得到熱塑性聚合物的一級結(jié)構(gòu)。

步驟七：熱塑性聚合物二級結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PMMA的PDMS-2軟模板與步驟六中得到的具有一級結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面接觸，經(jīng)過300s后，將軟模板剝離，PDMS-2表面的PMMA轉(zhuǎn)移到一級結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面，得到熱塑性聚合物的二級結(jié)構(gòu)。

實施例2

步驟一：熱塑性聚合物的溶解

將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)固體超聲加熱溶解到丙酮溶液中，配制成質(zhì)量濃度為2.5％的PMMA溶液。

步驟二：軟模板的制備

稱取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的預聚體和引發(fā)劑，質(zhì)量比為10：1，攪拌混合；然后澆鑄在條帶寬度為3μm、間距為1μm的硅模板及方格寬度為0.8μm、間距為0.8μm的硅模板的表面，在60℃的環(huán)境下固化；固化后將PDMS與硅模板分離，即得到條帶寬度為1μm、間距為3μm的PDMS軟模板(PDMS-1)和條方格寬度為1μm、間距為1μm的PDMS軟模板(PDMS-3)。

步驟三：在軟模板表面旋涂熱塑性聚合物

在旋轉(zhuǎn)速度為4000rpm、旋轉(zhuǎn)時間為30s的條件下，將PMMA溶液分別旋涂在PDMS-1和PDMS-3軟模板表面，得到表面附有PMMA的PDMS軟模板。

步驟四：軟模板表面熱塑性聚合物的親水

用氧等離子體處理PDMS-1和PDMS-3表面的PMMA，保證PMMA表面親水，其條件為：氧氣流量是100mL/min，功率為45W，時間為30s。

步驟五：基底的親水處理

采用溶液法對基底進行親水，具體是將硅片放在體積比為7：3的濃硫酸和雙氧水的混合溶液中，在90℃加熱2h。取出后蒸餾水沖洗，氮氣吹干待用。

步驟六：熱塑性聚合物一級結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PMMA的PDMS-1軟模板與親水硅片基底接觸，經(jīng)過60s后，將軟模板從硅片基底表面分離開，PDMS-1表面的PMMA轉(zhuǎn)移到基底表面，得到熱塑性聚合物的一級結(jié)構(gòu)。

步驟七：熱塑性聚合物二級結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PMMA的PDMS-3軟模板與步驟六中得到的具有一級結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面接觸，經(jīng)過100s后，將軟模板剝離，PDMS-3表面的PMMA轉(zhuǎn)移到一級結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面，得到熱塑性聚合物的二級結(jié)構(gòu)。

實施例3

步驟一：熱塑性聚合物的溶解

將聚苯乙烯(PS)固體超聲加熱溶解到丙酮溶液中，配制成質(zhì)量濃度為2％的PS溶液。

步驟二：軟模板的制備

稱取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的預聚體和引發(fā)劑，質(zhì)量比為10：1，攪拌混合；然后澆鑄在條帶寬度為3μm和間距為1μm的硅模板、條帶寬度為1.5μm和間距為0.8μm的硅模板、條帶寬度為0.8μm和間距為0.8μm的硅模板表面，在60℃的環(huán)境下固化；固化后將PDMS與硅模板分離，即得到條帶寬度為1μm和間距為3μm的PDMS軟模板(PDMS-1)、條帶寬度為0.8μm和間距為1.5μm的PDMS軟模板(PDMS-4)及條帶寬度為0.8μm和間距為0.8μm的PDMS軟模板(PDMS-5)。

步驟三：在軟模板表面旋涂熱塑性聚合物

在旋轉(zhuǎn)速度為4000rpm、旋轉(zhuǎn)時間為30s的條件下，將PS溶液分別旋涂在PDMS-1、PDMS-4和PDMS-5軟模板表面，得到表面附有PS的PDMS軟模板。

步驟四：軟模板表面熱塑性聚合物的親水

用氧等離子體處理PDMS-1、PDMS-4和PDMS-5表面的PS，保證PS表面親水，其條件為：氧氣流量是100mL/min，功率為45W，時間為30s。

步驟五：基底的親水處理

采用溶液法對基底進行親水，具體是將硅片放在體積比為7：3的濃硫酸和雙氧水的混合溶液中，在90℃加熱2h。取出后蒸餾水沖洗，氮氣吹干待用。

步驟六：熱塑性聚合物一級結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PS的PDMS-1軟模板與親水硅片基底接觸，經(jīng)過60s后，將軟模板從硅片基底表面分離開，PDMS-1表面的PS轉(zhuǎn)移到基底表面，得到熱塑性聚合物的一級結(jié)構(gòu)。

步驟七：熱塑性聚合物二級結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PS的PDMS-4軟模板與步驟六中得到的具有一級結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面接觸，經(jīng)過100s后，將軟模板剝離，PDMS-4表面的PS轉(zhuǎn)移到一級結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面，得到熱塑性聚合物的二級結(jié)構(gòu)。

步驟八：熱塑性聚合物三級結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PS的PDMS-5軟模板與步驟七中得到的具有二級結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面接觸，經(jīng)過300s后，將軟模板剝離，PDMS-5表面的PS轉(zhuǎn)移到二級結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面，得到熱塑性聚合物的三級結(jié)構(gòu)。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可做出很多簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。