一种聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法与流程

本发明涉及一种卷对卷热辊压印加工方法，尤其涉及聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法。

背景技术：

表面加工有微纳米结构的聚合物基材在光学薄膜、柔性电子、生物芯片等领域有着广泛的应用。采用卷对卷热辊压印技术，可在聚合物基材表面实现微纳米结构的大面积、高效率、低成本和高精度的成形。卷对卷热辊压印成形技术通过将卷对卷的生产方式和传统的平板热压印成形工艺相结合，使待压印的热塑性聚合物基材在模具辊和支撑辊之间连续辊过的同时升温软化并在压力作用下充填模腔，从而实现大面积微纳米结构的连续成形，并显著提高产品生产效率。

常见的热塑性聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、聚氯乙烯PVC等，在玻璃化温度甚至粘流温度以上时仍具有较高的粘度，要实现完全的充型需要较长的时间。高弹态下聚合物材料的形变回复显著，通常需要足够的保压时间，才能使得应力松弛过程在压印阶段完成，从而达到减小成形后回弹的目的。此外，在微纳米尺度下，材料与模具界面间的粘附对充型的阻碍作用不可忽略，使材料的充型流动变得更加困难，同时，材料与模具间的粘附还将成为脱模过程中的阻力，易造成脱模缺陷。在卷对卷热辊压印成形中，要提高聚合物材料的流动性能、增加充型时间、减小回弹、保证微纳米结构的复制精度，则需要提高辊压温度和降低辊压速度。而为了避免高温下脱模的困难以及聚合物基材在辊压过程中发生严重减薄和变形，通常不得不降低辊压速度。

较低的辊压速度成为限制卷对卷直接热辊压印技术发展的原因之一。面对大面积聚合物表面微纳米结构加工需求的快速增长，提高辊压速度及复制精度成为进一步推进卷对卷热辊压印技术工业化应用的关键。

中国专利201210292620.8公开了一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置及方法，包括：放卷，预热，热辊压，保形，冷却及收卷六个阶段。放卷阶段是将聚合物薄膜从卷材中连续抽出，除去薄膜表面静电。聚合物薄膜经过预热阶段后，加热至其玻璃转变温度以下，为热辊压阶段准备。通过对版辊进行局部加热处理，仅压印表面升温至玻璃转变温度以上，对预热后的薄膜辊压成形。保形阶段使辊压成形后的薄膜仍与版辊表面紧密贴合，使其充分变形。将冷却与保形同时作用于成形后的薄膜，使表面微细结构迅速固化，减少回弹。与现有技术相比，该发明具有减少回弹变形，脱模容易，但该发明的辊压速度及复制精度比较低，不利于大规模高效生产。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有卷对卷热辊压印工艺中存在的不足，提供一种超声振动辅助的微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法及装置，利用超声振动改进卷对卷热辊压印成型工艺：加速充型过程、提高复制精度、促进排气、减小脱模力及脱模变形。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法，该方法包括以下步骤：

(1)放卷预热：将聚合物材料从放卷装置传送至预热辊，聚合物材料预热至贴合温度，同时通过预热辊施加压力与基带热压贴合；

(2)充型：将贴合在基带上的聚合物材料传送至模具辊和压力辊之间，聚合物材料经预先加热的模具辊加热至压印温度，然后再通过压力辊作用填充模腔，同时开启超声振动组件，超声振动辅助完成充型过程；

(3)脱模：聚合物材料从模具辊和压力辊之间传出后，冷却并从模具辊中分离开来，超声振动辅助完成脱模过程；

(4)收卷：脱模完成后，继续冷却聚合物产品，实现聚合物产品与基带的分离，最后收卷，完成卷对卷热辊压印成型过程。

所述的聚合物材料为热塑性聚合物卷材或片材，厚度为50-500μm。

步骤(1)所述的贴合温度范围为聚合物材料玻璃化温度以上10℃至粘流温度以下10℃。

步骤(2)所述的压印温度范围为聚合物材料粘流温度以下10℃至以上50℃。

所述的超声振动施加在模具辊和压力辊组成的对辊中的从动辊上，该超声振动依次传递至压力辊支承、压力辊、基带和聚合物材料，并作用于整个充型与脱模过程。

所述的超声振动的振动频率为20～40kHz，振动幅值为5～50μm，利用20kHz以上的超声振动引发聚合物材料粘弹性产热，加速聚合物材料的升温熔融，同时利用高频的超声振动促进模腔内气体的排出、并减小充型及脱模过程中材料与模具间的粘附阻力，通过调节振动频率和振动幅值可适应不同聚合物基材及不同微纳米结构的压印加工。

所述的基带为具有柔性的金属带材、耐高温聚合物带材或由纤维增强材料与韧性聚合物组成的柔性复合材料。这些带材表面光滑且与被加工聚合物材料间表现出常温下弱粘附、高温下强粘附的特点。

一种所述的卷对卷热辊压印成型方法的装置，包括压力辊支承、压力辊和模具辊，还包括至少一个超声振动组件，所述的超声振动组件与压力辊支承连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、将聚合物材料预热至玻璃化温度以上后，利用超声振动引发的粘弹性生热辅助聚合物材料的熔融，使其表观粘度迅速降低，加速聚合物材料的充型流动，从而可以提高辊压速度；

2、在聚合物材料充型的过程中，由于超声振动的作用，聚合物材料与模腔壁面间有高频振动的相对位移发生，这既有利于促进模腔内残留气体的排出，又有利于减小材料与模具之间的粘附力，减小充型及脱模过程中受到的阻力，从而辅助材料的充型及脱模；

3、利用高温下基带对聚合物材料较强的粘附作用减少聚合物材料整体的热变形，同时，在卷对卷的传送过程中，基带可作为基底支撑着被加热至粘流态附近的聚合物材料，使得卷对卷直接热辊压印工艺中的充型过程可以在较高温度下进行，增强卷对卷直接热辊压印成形的工艺适应性；

4、冷却过程中，利用低温时基带对聚合物材料粘附作用的减弱实现成形后聚合物产品与基带的分离。

本发明利用超声振动改进卷对卷热辊压印成型工艺，加速了充型过程，提高了复制精度，减小脱模力及脱模变形，是一种工艺先进的压印成型方法。

附图说明

图1为本发明实施例1的装置示意图；

图2为图1变换超声振动组件的装置示意图；

图3为本发明实施例2的装置示意图；

图中：1-放卷辊，2-聚合物材料，3-预热辊，4-模具辊，5-压力辊，6-第一基带传送轮，7-第二基带传送轮，8-基带，9-压力辊支承，10-超声振动组件，11-辊压力施加装置，12-冷却装置，13-聚合物薄膜产品，14-收卷辊，15-PVC层，16-PET层，17-红外加热装置，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ-超声振动辊。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例中，所用的聚合物材料为单层材料，选用热塑性聚合物PC(聚碳酸酯)，采用的装置其示意图如图1所示，其中放卷辊1、预热辊3、模具辊4、第二基带传送轮7和收卷辊14的转动由电机驱动，它们作为卷对卷传送中的主动辊，第二基带传送轮7的转动带动基带8的传输运动和第一基带传送轮6的转动，压力辊5的转动由模具辊4和基带8的运动共同带动；与预热辊3相连的液压缸可推动预热辊3压向第一基带传送轮6，与压力辊5相连的液压缸可推动压力辊5压向模具辊4。

辊压开始前，将预热辊3表面的温度加热至PC的玻璃化转变温度以上，本实施例中PC的玻璃化转变温度为150℃、粘流温度230℃，预热辊3表面的温度加热至180℃，此外，使模具辊4表面的温度加热至PC的粘流温度附近，本实施例中设为220℃。

辊压开始后，厚度为200μm的PC薄膜2从放卷辊1传出，进入预热辊3和第一基带传送轮6之间，预热辊3在液压缸压力作用下压向带轮6，使PC薄膜2与基带8贴合，基带采用具有一定柔性的不锈钢薄板制备，在180℃下热压可使PC薄膜2与不锈钢基带8之间实现稳固的粘附，同时完成对PC薄膜2的预热，使其从玻璃态转变为粘弹态。

上述预热与贴合过程完成后，PC薄膜2和基带8被传送进入模具辊4和压力辊5之间，辊压力施加装置11在液压缸的作用下推动压力辊支承9向模具辊4方向滑动，使得压力辊5压向模具辊4，同时，超声振动组件10在辊压力的施加方向上作机械振动，振动频率为30kHz，振动幅值为5μm，引发压力辊5在相应方向上作相同频率和幅值的机械振动。

PC薄膜2与220℃下的模具辊4接触后开始升温熔融，并在压力辊5的压力作用下开始流动充型，同时，压力辊的机械振动通过基带8传送至模具辊4和压力辊5之间的PC材料，由于该部分PC材料已经被预热至粘弹态，超声波在其内部传递的过程中引发粘弹性生热，加速PC材料的熔融和充型流动。

由于模具辊4固定在机架上，且熔融的PC材料与模具辊4之间的模量相差巨大，超声振动组件10的振动并不能引发模具辊4作同步的机械振动，因此，已流入模腔内的PC材料和模腔壁面之间将产生高频振动地相对运动，这一高频振动地相对运动可显著减小材料与模具之间的粘附力，并促进模腔内残余气体的排出。

在超声振动的辅助下，卷对卷热辊压印的充型过程快速完成，基带8带着表面成形有微纳米结构的聚合物薄膜产品13从模具辊4和压力辊5之间辊出，冷却装置12向聚合物薄膜产品13吹气冷却，由于超声振动使材料与模具之间的粘附力显著减小，脱模过程可在较快速度下顺利完成，在冷气作用下，首先是聚合物薄膜产品13表面的微纳米结构迅速冷却固化，随后聚合物薄膜产品13的基底厚度部分也被冷却下来，使其与基带8之间的强粘附转变为微弱的粘附，最后，在张紧力作用下，表面加工有微纳米结构的聚合物薄膜产品13与基带8顺利分离，并由收卷辊14完成产品的收卷。

本实施例也可用图2所示的装置进行，图2为超声振动布置方式的变种，设有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个超声振动辊，可有效增长压印时间，提高辊压成形效率。

实施例2

本实施例中，所用的聚合物材料为双层材料，选用PET(聚对苯二甲酸乙二酯)和PVC(聚氯乙烯)组成的双层材料。

采用的装置其示意图如图3所示，其中放卷辊1、模具辊4和收卷辊13的转动由电机驱动，作为卷对卷传送中的主动辊，压力辊的转动由模具辊4的运动带动，与压力辊5相连的液压缸可推动压力辊5压向模具辊4。

聚合物材料2由PVC层15(玻璃化转变温度81℃，粘流温度160℃)和PET层16(玻璃化转变温度69℃，粘流温度250℃)键合而成，其中PVC层15的厚度50μm，为微纳米结构的成形层，PET层16的厚度150μm，为基底层。

辊压开始后，厚度为200μm的聚合物材料2从放卷辊1传出，其表面PVC层15首先被红外加热装置17预热至100℃。模具辊预先被加热至155℃，预热完成后聚合物材料2进入模具辊4和压力辊5之间，辊压力施加装置11在液压缸的作用下推动压力辊支承9向模具辊4方向滑动，使得压力辊5压向模具辊4，同时，超声振动组件10在辊压力的施加方向上作机械振动，振动频率为30kHz，振动幅值为5μm，引发压力辊5在相应方向上作相同频率和幅值的机械振动。

聚合物材料2上的PVC层15与155℃下的模具辊4接触后开始升温熔融，并在压力辊5的压力作用下开始流动充型，同时，压力辊的机械振动传送至模具辊4和压力辊5之间的聚合物材料，由于该部分PVC材料层15已经被预热至粘弹态，超声波在其内部传递的过程中引发粘弹性生热，加速PVC材料层15的熔融和充型流动，PET材料层16由于分子刚度高、粘弹性生热少且粘流温度远高于PVC材料层，在整个卷对卷热辊压印过程中作为PVC材料层15的支撑基底。

由于模具辊4固定在机架上，且熔融的PVC材料层15与模具辊4之间的模量相差巨大，超声振动组件10的振动并不能引发模具辊4作同步的机械振动，因此，已流入模腔内的PVC材料15和模腔壁面之间将产生高频振动地相对运动，这一高频振动地相对运动可显著减小材料与模具之间的粘附力，并促进模腔内残余气体的排出。

在超声振动的辅助下，卷对卷热辊压印的充型过程快速完成，表面成形有微纳米结构的聚合物薄膜产品13从模具辊4和压力辊5之间辊出，冷却装置12向聚合物薄膜产品13吹气冷却，由于超声振动使材料与模具之间的粘附力显著减小，脱模过程可在较快速度下顺利完成，在冷气作用下，聚合物薄膜产品13表面的微纳米结构迅速冷却固化，随后聚合物薄膜产品13的基底厚度部分也被冷却下来，最后，由收卷辊14完成产品的收卷。