专利名称：一种导电聚合物微纳线性阵列的加工方法
技术领域：
本发明涉及导电聚合物微纳结构加工方法，尤其是涉及一种导电聚合物微纳线性 阵列的加工方法。
背景技术：
导电聚合物是指自身具有导电功能的聚合物，由于其具有特殊的结构和优异的物 理化学性能，导电聚合物材料的开发与应用研究在国内外已进入了一个新的高潮，其发展 对电子学、信息科学和材料科学将起着巨大的影响作用。由于这类材料在电学、电化学、力 学、光学和磁学等方面的优异性，可广泛用于生物与化学传感器、太阳能电池、有机发光二 极管(OLED)、电磁屏蔽、隐身技术以及生命科学等方面，在这些器件中应用导电聚合物微构 件可以较好的提升其性能并扩展其应用范围，因而不但各种新型导电聚合物的合成获得了 广泛的研究，导电聚合物微纳构件的加工也是当前的研究热点。由于导电聚合物的主链是由单双键交替的共轭π键构成的，分子链刚性很强，造 成大部分导电聚合物难溶难熔，一旦形成很难加工。为了改善导电聚合物的特性，常会掺 杂或键链一些附加结构(如在聚合物太阳能电池中为了增强了导电聚合物的热稳定性及 增加光吸收效果，通常还将富勒烯共价键链接到导电聚合物材料上)，这些结构进一步增强 了导电聚合物分子链的刚性。此外大部分导电聚合物对环境比较敏感，其电特性在氧化，潮 湿，化学作用下容易随时间退化，这使得在微纳加工领域中广泛使用的加工方法如化学刻 蚀、等离子刻蚀、LIGA技术等方法应用到导电聚合物微构件的加工上来都有较大的局限性。目前常用的导电聚合物微纳构件加工方法有微喷墨打印、微接触印刷等。微喷墨 打印通过喷头的移动来打印出导电聚合物的微结构，但其缺点是要求导电聚合物可溶，同 时受墨滴大小的限制，其加工分辨率在20 50 μ m左右，此外所得到的微构件的一致性不 是很理想。而微接触印刷的工艺涉及自组装、微接触成型、电化学聚合沉积导电聚合物等多 道复杂工序使得该方法仅适合实验室小批量的加工。此外常用的一些微纳构件加工方法如 光刻，湿法刻蚀，激光直写，电子束直写等方法应用于导电聚合物微构件的加工也有少量的 研究报道。但使用如光刻、电子束直写、激光直写、湿法刻蚀等方法加工很容易破坏或损伤 导电聚合物的固有的化学特性，是以牺牲导电聚合物微构件性能为代价的。导电聚合物微纳线性阵列由于具有较大的比表面积，可作为各种生化传感器的电 极，也可以用于组成聚合物电路，用途非常广泛，因而寻找一种成型一致性好，可并行加工， 成本低，同时不损伤导电聚合物特性的加工方法非常有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导电聚合物微纳线性阵列的加工方法，通过制备带有 衬底的导电聚合物复合膜，然后在加热到衬底软化温度的时候，压入带有微纳线性阵列的 微模具，并冷却，脱模，即可得到导电聚合物的微纳线性阵列。由于有衬底的保护，模具不易 受到损害，可大幅度降低其加工成本，同时采用本方法还有利于保证微纳线性阵列结构的一致性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下1)在聚合物衬底上表面制备一层导电聚合物薄膜，以构成复合膜；2)将该复合膜加热到聚合物衬底的软化温度，并将带有微纳线性阵列的模具压入 复合膜中并切断导电聚合物薄膜层；3)冷却到脱模温度后脱模，即得到导电聚合物微纳线性阵列。所述的导电聚合物薄膜材料为聚吡咯或聚苯胺。所述的聚合物衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯；聚甲基丙烯酸甲酯时软 化温度为95 120°C ；聚碳酸酯时软化温度为130 150°C。所述的复合膜，采用旋涂法加工，首先对聚合物衬底进行超声波清洗去除表面杂 质及油污，用活性氧处理聚合物衬底表面10 100s，使用干燥氮气吹干；然后将导电聚合 物与水按1 10 1 200的比例混合，并使用超声均化20 IOOmin ；最后将导电聚合物 溶液在聚合物衬底上进行旋涂，先在低速下进行，转速为200 800r/min，持续时间为6 15s，然后切换到高速，转速为2000 9000r/min，持续时间为20 80s ；最后将复合膜放入 烤箱内进行烘烤，烤箱温度为40 100°C，烘烤时间为5 30min。所述的复合膜中导电聚 合物薄膜的厚度和衬底的厚度比为1 2 20。通过软化后聚合物衬底的保护，既得到了微纳的导电聚合物线性阵列，模具也不 会受到损害，可反复利用。所述的聚合物衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)。软化后的 流动性也较好，可确保模具快速的切断衬底表面的导电聚合物薄膜，也不会损伤模具。本发明具有的有益的效果是使用本方法加工微纳线性阵列，由于软化后的聚合物衬底较软，可确保模具切断 导电聚合物薄膜后不会和硬质材料(如使用硅材料作为衬底)接触，可有效避免模具的损 伤，这样模具可以多次重复利用，能大幅度降低加工成本。同时本加工方法不涉及到氧化、 潮湿及化学作用等因素，加热的温度在100-150°C左右，属于低温工作范畴，对导电聚合物 的特性没有影响。此外，本方法可以进行并行加工，具有很高的加工效率，成型出的导电聚 合物微纳线性阵列的一致性也较好。同时本方法还可以推广应用于其他非导电聚合物微纳 线性阵列如金属的微纳线性阵列的加工。
图1 图4是导电聚合物微纳线性阵列加工流程。图5是导电聚合物微纳线性阵列加工工序。图6是加工出的微纳线性阵列。图中1.带有微纳线性阵列结构的模具，2.导电聚合物薄膜，3.聚合物衬底，4.导 电聚合物微纳线性阵列。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，准备好带有微纳线性阵列的微模具及导电聚合物与衬底的复合膜。如图2所示，施加一定的预压力，使得模具和导电聚合物层能够紧密接触。然后如图3所 示，加热到衬底的玻璃态软化温度附近，施加压力以压断导电聚合物薄膜，并保持压力一段 时间以确保导电聚合物薄膜能被完全切断。最后如图4所示，冷却到一定的脱模温度，进行 脱模，获得导电聚合物微线性阵列。整个工艺参数变化如图5所示。最终获得的导电聚合 物微纳线性阵列如图6所示。本发明具体实施步骤如下1、制备微模具及导电聚合物与衬底的复合膜，微模具可以通过电铸、刻蚀等通用 的微纳加工方法加工，而复合膜可以采用旋涂法加工。2、将微模具及复合膜放在可加热，加压的精密平台上，施加一个预压力Pp后，将模 具及复合膜加热到软化温度 ；，为保证衬底聚合物有较强的流动性，通常Te应大于聚合物 衬底的玻璃态转换温度。3、施加压入压力Pe以切断导电聚合物薄膜，然后保压，时间为th，以确保切断导电 聚合物薄膜被完全切断。4、冷却到脱模温度Td后开始脱模，获得导电聚合物微纳线性阵列。本发明的一个典型实施例如下1)微模具采用镍模具，其尺寸为a = 10 μ m，b = 15 μ m。聚合物衬底材料选用聚甲 基丙烯酸甲酯，其软化温度设定为110°C。导电聚合物选用聚吡咯材料，用旋涂法在0.5mm 厚的聚甲基丙烯酸甲酯上旋涂出0. 05mm厚的聚吡咯薄膜层，具体旋涂步骤为首先对聚合 物衬底进行超声波清洗去除表面杂质及油污，使用活性氧处理聚合物衬底表面20s，并使 用干燥氮气吹干。然后将导电聚合物聚吡咯与水按1 15的比例混合，并使用超声均化 30min。最后将导电聚合物溶液在聚合物衬底上进行旋涂，旋涂复合膜具体工艺为先在低 速旋涂，低速度为400r/min，保持时间为10s，然后高速旋涂，速度为2500r/min，保持时间 为40s，最后将复合膜放入烤箱内进行烘烤，烘烤温度为60°C，烘烤lOmin。2)关键工艺参数选为:Pp = 0. IMPa, Te = 108°C, th = lmin，Pe = 1. 2MPa，Td = 60°C，按上述本发明的具体实施步骤进行加工，即可获得想要的聚吡咯微纳线性阵列。
权利要求
一种导电聚合物微纳线性阵列的加工方法，其特征在于该方法的步骤如下1)在聚合物衬底上表面制备一层导电聚合物薄膜，以构成复合膜；2)将该复合膜加热到聚合物衬底的软化温度，并将带有微纳线性阵列的模具压入复合膜中并切断导电聚合物薄膜层；3)冷却到脱模温度后脱模，即得到导电聚合物微纳线性阵列。
2.根据权利要求1所述的一种导电聚合物微纳线性阵列的加工方法，其特征在于所 述的导电聚合物薄膜材料为聚吡咯或聚苯胺。
3.根据权利要求1所述的一种导电聚合物微纳线性阵列的加工方法，其特征在于所 述的聚合物衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯；聚甲基丙烯酸甲酯时软化温度为 95 120°C ；聚碳酸酯时软化温度为130 150°C。
4.根据权利要求1所述的一种导电聚合物微纳线性阵列的低成本加工方法，其特征在 于所述的复合膜，采用旋涂法加工，首先对聚合物衬底进行超声波清洗去除表面杂质及油 污，用活性氧处理聚合物衬底表面10 100s，使用干燥氮气吹干；然后将导电聚合物与水 按1 10 1 200的比例混合，并使用超声均化20 IOOmin ；最后将导电聚合物溶液 在聚合物衬底上进行旋涂，先在低速下进行，转速为200 800r/min，持续时间为6 15s， 然后切换到高速，转速为2000 9000r/min，持续时间为20 80s ；最后将复合膜放入烤箱 内进行烘烤，烤箱温度为40 100°C，烘烤时间为5 30min。所述的复合膜中导电聚合物 薄膜的厚度和衬底的厚度比为1 2 20。
全文摘要
本发明公开了一种导电聚合物微纳线性阵列的加工方法。该方法的步骤如下在聚合物衬底上表面制备一层导电聚合物薄膜，以构成复合膜；将该复合膜加热到聚合物衬底的软化温度，并将带有微纳线性阵列的模具压入复合膜中并切断导电聚合物薄膜层；冷却到脱模温度后脱模，即得到导电聚合物微纳线性阵列。通过软化后聚合物衬底的保护，既得到了微纳的导电聚合物线性阵列，模具也不会受到损害，可反复利用。相较其他的导电聚合物微纳构件的加工方法，本方法具有成型一致性好，可并行加工，成本低等优点。
文档编号C08L33/12GK101880430SQ20101020658
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者傅建中, 章婷, 贺永, 陈子辰 申请人:浙江大学