專利名稱：聚合物擠出微壓印成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚合物擠出微壓印成型方法，主要應(yīng)用于在聚合物基片表面壓制出微結(jié)構(gòu)圖形，應(yīng)用領(lǐng)域主要有聚合物光柵、聚合物導(dǎo)光板、聚合物基散熱器、聚合物微機(jī)電系統(tǒng)、聚合物微流控芯片、集成電路板的制作等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聚合物熱壓印成型是一種新興的圖形復(fù)制技術(shù)，它與傳統(tǒng)的光刻技術(shù)相比具有如下特點(diǎn)設(shè)備簡單、操作方便、工序簡潔(工藝參數(shù)較少)、微細(xì)結(jié)構(gòu)的復(fù)制精度高、加工費(fèi)用低、較貴的模具只需要加工一次，即可實(shí)現(xiàn)相同微結(jié)構(gòu)的大批量復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)，近年來由于對微結(jié)構(gòu)制品的需求量逐漸增大，其發(fā)展速度也越來越快。此技術(shù)的基本原理是首先將聚合物基片加熱到其玻璃化溫度以上30°C IOO0C (對于結(jié)晶型聚合物基片，溫度要達(dá)到熔融溫度以上)，然后在一定的壓力作用下，將壓印模具(其上有所需要的微結(jié)構(gòu)圖形)壓在聚合物基片上，使聚合物填充到模具上的微結(jié)構(gòu)中，冷卻定型后脫模，達(dá)到圖形復(fù)制轉(zhuǎn)移的目的。目前用于微壓印的成型方法多是采用平板式熱壓印機(jī)，如專利200510019944. 4 中所述的納米壓印機(jī)，其原理都是將室溫下的聚合物基片固定在熱壓印機(jī)的下板上，下板上裝有加熱冷卻裝置以及定位裝置。壓印模具固定在上板上，其上也安裝有加熱冷卻裝置。 工作時(shí)，首先對固定于下板上的聚合物基片進(jìn)行加熱，使其達(dá)到壓印所需要的溫度。模具也要加熱到一定的溫度，以保證聚合物能夠充模完全。然后上基板帶動(dòng)模具對聚合物基片進(jìn)行加壓，使聚合物填充到壓印模具中，保壓冷卻一段時(shí)間后，進(jìn)行脫模。從而完成一次加工過程。這種方法屬于非連續(xù)式生產(chǎn)，下基板加熱冷卻過于頻繁且速度慢，能量消耗大，且二次加熱后的聚合物基片的流動(dòng)性很難達(dá)到所要求的程度，往往導(dǎo)致圖形復(fù)制精度差，微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移不完整。此外，上基板施加壓力時(shí)，由于采用直壓式，加壓面積大，上基板很容易受力不均，導(dǎo)致上基板翹曲變形引起聚合物基片受力不均勻，不僅壓印面積受到限制，也影響壓印制品的質(zhì)量。為此，發(fā)明了很多種加熱方式用來改善加熱冷卻速度慢的問題，如專利 200410050075. 7中所使用的電磁波加熱等，這些方法提高了熱壓印時(shí)的加熱冷卻效率，節(jié)省了成型時(shí)間。專利02131969. 3以及專利200510069953. 4發(fā)明了一種用氣體進(jìn)行加壓的熱壓印方法，由于氣體分子的等壓力分布特性，可以解決熱壓印時(shí)壓力分布的均勻性問題， 使壓印面積不受限制，加壓均勻性好。不過這些方法的生產(chǎn)設(shè)備都比較復(fù)雜，生產(chǎn)效率低， 產(chǎn)品的重復(fù)精度差。為了改善平板熱壓印方法的上述缺點(diǎn)，專利200810068662. 7，設(shè)計(jì)出了輥筒式的連續(xù)微壓印方法，基本原理是采用兩個(gè)同步轉(zhuǎn)動(dòng)的輥筒來完成對聚合物基片的壓印，其中一個(gè)輥筒具有微壓印模具，聚合物基片通過壓印輥筒來進(jìn)行加熱，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)輥筒之間的距離來調(diào)節(jié)施加在聚合物基片上的壓力。這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)，同時(shí)壓印時(shí)由于是線接觸，減小了壓印所需施加的力，壓印設(shè)備變形小，提高了壓力分布的均勻性。但是，此
3種方法應(yīng)用于聚合物熱壓印時(shí)要求輥筒的加熱效率很高，這樣才能保證聚合物基片在連續(xù)輥壓時(shí)能快速的達(dá)到所需溫度。同時(shí)脫模溫度高和保壓時(shí)間短，這些都會(huì)導(dǎo)致聚合物微結(jié)構(gòu)成型脫模后出現(xiàn)彈性回復(fù)現(xiàn)象，無法保證圖形復(fù)制的精度。此外，此法應(yīng)用于微壓印時(shí)由于輥筒內(nèi)要安裝加熱裝置，這樣降低了輥筒的剛度，增大了壓力分布不均勻的可能性。專利 200620022753. 3設(shè)計(jì)了多輥的結(jié)構(gòu)，專門設(shè)計(jì)了預(yù)熱輥用于加熱，同時(shí)還有保壓冷卻輥。但是，輥筒的數(shù)目較多，使安裝及定位精度難以保證，多組輥運(yùn)行時(shí)同步性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；同時(shí)溫度也無法精確控制，工藝參數(shù)不好調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明中的微壓印成型方法實(shí)現(xiàn)了微壓印機(jī)與擠出機(jī)的串聯(lián)使用，將擠出的聚合物基片壓平后直接進(jìn)行微壓印，同時(shí)通過對微壓印設(shè)備的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的連續(xù)化?，F(xiàn)有的發(fā)明大多都是應(yīng)用成品聚合物基片進(jìn)行熱壓印，將室溫下的聚合物基片加熱到壓印時(shí)所需要的溫度需要很多的能量，且二次加熱后聚合物基片的流動(dòng)性低于基片剛從擠出機(jī)擠出時(shí)的流動(dòng)性好。此外，二次加熱時(shí)如果聚合物基片固定不好，加熱加壓時(shí)很容易發(fā)生翹曲變形，影響壓印質(zhì)量。本發(fā)明中，我們將微壓印機(jī)與擠出機(jī)串聯(lián)使用，將擠出來的片材壓平后直接進(jìn)行微壓印，這樣不僅省去了復(fù)雜的加熱冷卻系統(tǒng)，節(jié)省了大量的加熱能量，使聚合物基片的流動(dòng)性得到保證。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明對微壓印方法主要做了如下的改進(jìn)。1.壓平調(diào)厚裝置聚合物對于溫度和壓力等工藝條件比較敏感。由于受到各種條件的影響，聚合物基片擠出后的厚度可能不均勻，這種不均勻性表現(xiàn)在聚合物基片擠出方向和厚度方向，此處我們更關(guān)心它在厚度方向的不均勻性。一般情況下，基片直接擠出后的厚度誤差大約在士 100 200微米之間，而這可能大于我們所要壓印的微結(jié)構(gòu)尺寸。所以， 若聚合物基片直接擠出后進(jìn)行微壓印，可能大致基片壓力分布不均勻，厚處壓力大，薄處壓力小，影響壓印質(zhì)量。因此，如何保證聚合物基片壓印之前的厚度均勻至關(guān)重要。為了保證微壓印時(shí)聚合物基片厚度的均勻一致，我們在聚合物基片擠出之后設(shè)置一個(gè)壓平調(diào)厚裝置，用此將擠出來的基片壓平，保證其厚度均勻，同時(shí)可調(diào)節(jié)基片的厚度。 壓平調(diào)厚裝置主要由兩個(gè)預(yù)壓平厚度控制輥組成，其間距可根據(jù)不同需要而精確調(diào)節(jié)，間距調(diào)節(jié)精度要求達(dá)到0. 0 Imm以內(nèi)。同時(shí)，兩個(gè)滾筒上都安裝有精確的溫度控制裝置，用于控制輥筒溫度，兩個(gè)預(yù)壓平厚度控制輥可以采用不等溫的控溫方式，用于微壓印的輥筒溫度高，以保證聚合物良好的流動(dòng)性，使其表面充分壓平，支撐輥溫度較低，以使聚合物基片有一定程度的冷卻定型。但兩個(gè)輥筒的溫度都要控制在聚合物基片玻璃化溫度以上，否則壓印時(shí)使聚合物基片需要很長時(shí)間才能升溫到所需溫度，從而影響微壓印的速度。當(dāng)基片很薄時(shí)也可采用等溫控制方式。聚合物基片在經(jīng)過兩個(gè)預(yù)壓平厚度控制輥后，其厚度得到了很好的保證。由于聚合物對溫度比較敏感，因此溫度控制精度要求達(dá)到士 1°C以內(nèi)。2.加熱保溫裝置的安裝由于我們要將聚合物基片擠出壓平后直接進(jìn)行微壓印， 而聚合物基片很容易冷卻。因此，為了保證聚合物片材在進(jìn)入微壓印機(jī)之前仍保持在一定的溫度，同時(shí)也為了能更準(zhǔn)確的控制工藝條件，我們在擠出機(jī)機(jī)頭與微壓印機(jī)之間安裝了一個(gè)加熱保溫裝置，用于保證聚合物基片壓印待壓印表面的溫度以及控制不同聚合物壓印時(shí)所需要的不同溫度工藝條件。
由于壓印的微結(jié)構(gòu)的尺寸只有幾百微米，甚至更小。與普通壓印不同，微壓印時(shí)只需將待壓印的聚合物基片表面加熱即可，且加熱速度要快，溫度控制精度要高此外，加熱裝置需要采用非接觸式加熱，并采用閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)對聚合物基片表面的溫度進(jìn)行精確控制，溫度控制精度在士 1°C范圍內(nèi)。加熱方式可以有紅外加熱、紫外加熱、電阻加熱、感應(yīng)加熱、熱風(fēng)加熱等方式，可根據(jù)不同的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。3.三輥式壓印裝置它是在兩個(gè)壓印輥的基礎(chǔ)上再加一個(gè)用于保壓定型的保壓冷卻輥筒，安裝在壓印輥筒的一側(cè)，它與壓印輥之間的角度可以調(diào)節(jié)，以便根據(jù)不同的物料調(diào)節(jié)不同的保壓冷卻時(shí)間。聚合物基片壓印完微結(jié)構(gòu)后進(jìn)入到保壓冷卻輥與壓印輥之間進(jìn)冷保壓冷卻，以保證聚合物基片能夠完全冷卻定型，保證圖形復(fù)制的精度。它與壓印輥筒之間用彈簧連接，以保證輥筒之間具有一定的壓力。同時(shí)輥筒表面上包覆一層橡膠類的軟質(zhì)涂層，以防止壓印好的微結(jié)構(gòu)遭到破壞。將保壓冷卻輥筒拆除后，還可以進(jìn)行聚合物基片的雙面微結(jié)構(gòu)的熱壓印。本發(fā)明的效果壓平調(diào)厚裝置保證了聚合物基片在擠出后，進(jìn)行微壓印之前厚度的均勻性。聚合物基片擠出以后，還保持著很高的溫度，加熱裝置很容易就能使其表面達(dá)到所要求的壓印溫度，提高了加熱效率，使得壓印速度可以提高很多。同時(shí)由于剛擠出來的聚合物基片流動(dòng)性要比二次加熱好得多，故可以充模完全。同時(shí)保壓冷卻輥筒的安裝，保證了足夠的保壓定型時(shí)間，確保了壓印制品脫模后的尺寸穩(wěn)定性。
具體實(shí)施方案本發(fā)明聚合物擠出微壓印成型方法的工作原理如附圖2所示，擠出機(jī)⑴經(jīng)擠片機(jī)頭( 擠出微壓印所需要的聚合物基片(3)，聚合物基片C3)經(jīng)過壓平調(diào)厚裝置的兩個(gè)預(yù)壓平厚度控制輥(4)進(jìn)行壓平調(diào)厚，保證聚合物基片C3)厚度的均勻性。壓平后，聚合物基片( 進(jìn)入加熱保溫裝置(5)，使其表面溫度控制在所設(shè)定的工藝溫度。然后，聚合物基片 (3)進(jìn)入到壓印輥筒(6)和支撐滾筒(7)之間，其中，壓印輥筒(6)上安裝有熱壓印模具，憑借壓印輥筒(6)和支撐輥筒(7)之間的壓力來對聚合物基片(；3)進(jìn)行加壓，完成微結(jié)構(gòu)的復(fù)制轉(zhuǎn)移。聚合物基片壓印完成之后，進(jìn)入壓印輥筒(6)與冷卻保壓輥筒(8)之間，冷卻保壓輥筒(8)與壓印輥筒(6)之間的位置可以在一定角度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以增加或者減少冷卻保壓時(shí)間，以滿足不同工藝條件的要求，如附圖3所示。同時(shí)，冷卻保壓輥筒(8)與壓印輥筒(6)之間通過一根彈簧(1 來連接，以保證兩個(gè)輥筒之間有一定的壓力，也可以采用其它的連接方式，只要保證此兩輥筒之間有一定的柔性壓力，同時(shí)還安裝有一個(gè)用于調(diào)節(jié)此兩輥筒之間角度位置的結(jié)構(gòu)(10)如附圖4所示。壓力調(diào)節(jié)裝置用來調(diào)節(jié)壓印輥筒(6)與支撐輥筒(7)之間的壓力，整體結(jié)構(gòu)圖如附圖5所示。


圖1雙面熱壓印結(jié)構(gòu)原理2為連續(xù)式熱壓印成型設(shè)備的工作原理3為輥筒位置可調(diào)節(jié)原理4為輥筒連接及位置調(diào)節(jié)5整體結(jié)構(gòu)示意圖
權(quán)利要求
1.一種聚合物擠出微壓印成型方法，包括壓平調(diào)厚裝置、溫度控制裝置、壓印裝置、 壓力控制裝置、保壓冷卻裝置和牽引裝置。為了保證進(jìn)入微壓印輥的聚合物基片壁厚均勻， 設(shè)置兩個(gè)預(yù)壓厚度控制輥，將擠出機(jī)片材機(jī)頭擠出的基片進(jìn)行預(yù)壓平，壓平調(diào)厚后再通過溫度控制裝置，使待壓印表面達(dá)到微壓印所需要的溫度，隨后進(jìn)入壓印裝置進(jìn)行微壓印，壓印和冷卻定型后，在牽引裝置的作用下完成微結(jié)構(gòu)脫模。
2.如權(quán)利1要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的聚合物基片包括PMMA、PC、PS、PP、PET、PBT等熱塑性聚合物。
3.如權(quán)利1要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的壓平調(diào)厚裝置由兩個(gè)同步轉(zhuǎn)動(dòng)的預(yù)壓厚度控制輥組成，其間距可精確調(diào)節(jié)，以保證聚合物基片熱壓印前厚度的均一可調(diào)。
4.如權(quán)利3要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的壓平調(diào)厚裝置的兩個(gè)預(yù)壓厚度控制輥安裝有溫度控制裝置，采用等溫或不等溫的加熱方式保證聚合物基片待壓印表面能夠壓平并達(dá)到工藝所需的溫度。
5.如權(quán)利1要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的溫度控制裝置的加熱方式必須是非接觸式的，加熱時(shí)不能與聚合物基片接觸。
6.如權(quán)利5要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的加熱方式，只需要加熱聚合物基片的待壓印表面，要求加熱效率高、控溫精度高、反應(yīng)靈敏?？梢圆捎眉t外加熱、紫外加熱、電阻加熱、感應(yīng)加熱、熱風(fēng)加熱等方式完成對聚合物基片的加熱。
7.如權(quán)利5要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的溫度控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對聚合物基片溫度的精確控制。控溫精度要求士 1°C以內(nèi)。
8.如權(quán)利1要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的壓印裝置由兩個(gè)同步轉(zhuǎn)動(dòng)的輥筒組成。
9.如權(quán)利8要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的兩個(gè)輥筒可都具有微壓印模具，也可其中一個(gè)滾筒具有微壓印模具，用以實(shí)現(xiàn)聚合物基片雙面或單面微結(jié)構(gòu)的熱壓印。
10.如權(quán)利1要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的保壓冷卻裝置采用一個(gè)與壓印輥筒相連的保壓冷卻輥筒實(shí)現(xiàn)。
11.如權(quán)利11要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的保壓冷卻輥筒，采用一個(gè)張緊裝置與壓印輥筒相連，保證之間有一定的壓力。同時(shí)它與壓印輥筒的空間位置可以在一定角度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)不同工藝要求。
12.如權(quán)利11要求所述的聚合物擠出微壓印成型方法，其特征在于，所述的保壓冷卻輥筒表面包裹有一層軟質(zhì)材料，以免微結(jié)構(gòu)遭到破壞。
全文摘要
聚合物微壓印成型，是一種在聚合物基片材料上形成微納結(jié)構(gòu)圖案的熱壓印成型方法，主要應(yīng)用于各種聚合物基微納結(jié)構(gòu)的制造上。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括聚合物基片擠出機(jī)、基片壓平調(diào)厚裝置、溫度控制裝置、壓印裝置、壓力控制裝置、保壓冷卻裝置和牽引裝置。其中，壓平調(diào)厚裝置用于將擠出的聚合物基片壓平溫度控制裝置用于保證聚合物基片待壓印表面的溫度；壓印裝置上安裝有壓印微結(jié)構(gòu)的壓印模具，通過施加壓力，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移；壓力控制裝置用于調(diào)節(jié)施加于聚合物基片上的壓力；保壓冷卻裝置用于實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的冷卻定型。這種成型方法節(jié)省了大量加熱冷卻所需要的時(shí)間和能量，壓印設(shè)備得到了大大的簡化、生產(chǎn)效率高、操作簡單、成本低廉。
文檔編號(hào)B29C59/04GK102205639SQ20111005112
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者劉文龍, 劉穎, 吳大鳴, 莊儉, 張亞軍, 王曉偉, 許紅, 鄭秀婷 申請人:北京化工大學(xué)