一种利用室温转移压印技术图案化热塑性聚合物的方法与流程

本发明涉及材料微纳加工技术领域，尤其涉及一种利用室温转移压印技术图案化热塑性聚合物的方法。

背景技术：

图案化的功能材料在电子学、光学、仿生学、能源等领域的应用日益广泛，到目前为止，有多种技术可以实现材料表面图案化，例如，光刻技术、纳米压印、扫描探针技术、界面组装技术等。

通常热塑性聚合物的图案化是通过纳米压印方法实现的。传统的纳米压印也就是热压印，是在基底上旋涂一层具有热塑性的聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等，加热到玻璃转化温度(T_g)以上后通过机械加压使聚合物填充进模板空腔；再冷却到T_g以下脱模即可得到图案化的材料。CN105487151A报道了一种基于纳米压印的图形转移制备光栅的方法；CN105619774A报道了一种基于热压印的超疏水材料的制备方法。但这些方法只适用于热塑性较好的材料，需要高温高压，耗能较高，时间周期较长，不利于批量生产的进行；并且高温环境限制了在聚合物基底表面图案化热塑性材料；同时由于热塑性材料是通过旋涂附着在平面基底上，但该过程很难在曲面等非平整的基底上实现，影响后续的压印。

技术实现要素：

本发明目的是为了克服传统热塑性聚合物图案化过程中高温高压、耗时长及设备昂贵的缺点，提供一种室温条件下高效图案化热塑性聚合物的方法。实现热塑性聚合物常温、常压、快速的图案化，适用于软基底、硬基底、平面基底及曲面基底，利于该方法的推广。

按照本发明提供的技术方案，所述的一种利用室温转移压印技术图案化热塑性聚合物的方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)首先通过超声和加热，将热塑性聚合物固体溶解到溶剂中，溶剂的选择遵循相似相容的极性原则，得到热塑性聚合物溶液；

(2)然后在凸凹结构的软模板表面旋涂或喷涂热塑性聚合物溶液，待溶剂挥发完毕，得到表面附有热塑性聚合物的软模板；

(3)然后过氧等离子体或紫外臭氧处理，使得步骤(2)中软模板上的热塑性聚合物表面产生大量羟基，从而达到亲水效果；

(4)最后在室温下将经过步骤(3)处理后的表面附有热塑性聚合物的软模板与亲水基底接触，热塑性聚合物表面的羟基与基底表面的羟基发生氢键作用，经过5～600s后，将软模板从基底表面分离开，软模板表面的热塑性聚合物转移到基底表面。

进一步的，步骤(1)中的热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、聚对苯乙烯-聚氧化乙烯共聚物、ABS树脂、聚丙烯酰胺、聚环氧乙烷。

进一步的，步骤(2)、(3)及(4)中的软模板包括聚二甲基硅氧烷模板、三元乙丙橡胶模板、全氟聚醚模板、聚氨酯丙烯酸酯模板。

进一步的，步骤(4)中的基底包括平面及曲面的硅片、氧化硅片、砷化镓片、石英片、导电玻璃片、聚合物片。

进一步的，步骤(4)中的亲水基底是通过氧等离子体、紫外臭氧或亲水溶液处理基底而得到的。

进一步的，步骤(4)中溶液处理亲水方法是将基底放在氨水和双氧水的混合水溶液中，或将基底放在浓硫酸和双氧水的混合溶液中，在50～90℃加热条件下进行处理。

进一步的，步骤(4)中的室温为0～40℃。

本发明具有以下优越性：

(1)热塑性聚合物在常温常压下进行图案化，避免了高温高压耗能的过程；

(2)热塑性聚合物图案化过程中无需价格高昂的设备，耗时短，提高图案化效率；

(3)可以实现热塑性聚合物在平面基底、曲面基底、硬基底及软基底表面的图案化。

附图说明

图1为一种利用室温转移压印技术图案化热塑性聚合物的工艺示意图；

图2为实施例1中得到的聚甲基丙烯酸甲酯条带的原子力显微镜照片；

图3为实施例2中在毛细管外壁表面上得到的聚甲基丙烯酸甲酯条带的显微镜图片，其中插图为放大图。

具体实施方式

实施例1

步骤一：热塑性聚合物的溶解

将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)固体超声加热溶解到丙酮溶液中，配制成质量浓度为2.5％的PMMA溶液。

步骤二：软模板的制备

称取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚体和引发剂，质量比为10：1，搅拌混合；然后浇铸在条带宽度为3μm、间距为1μm的硅模板上，在60℃的环境下固化；固化后将PDMS与硅模板分离，即得到PDMS软模板。

步骤三：在软模板表面旋涂热塑性聚合物

在旋转速度为4000rpm、旋转时间为30s的条件下，将PMMA溶液旋涂在PDMS软模板表面，得到表面附有PMMA的PDMS软模板。

步骤四：软模板表面热塑性聚合物的亲水

用氧等离子体处理PDMS表面的PMMA，保证PMMA表面亲水，其条件为：氧气流量是100mL/min，功率为45W，时间为30s。

步骤五：基底的亲水处理

采用溶液法对硅基底进行亲水，具体是将硅片放在体积比为7：3的浓硫酸和双氧水的混合溶液，在90℃加热2h。取出后蒸馏水冲洗，氮气吹干待用。

步骤六：聚合物转移到基底表面

在室温下，将步骤四中得到的表面附有亲水PMMA的PDMS软模板与步骤五中得到的亲水硅片基底接触，经过60s后，将PDMS从硅片基底表面分离开，PDMS表面的PMMA转移到基底表面。

实施例2

步骤一：热塑性聚合物的溶解

将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)固体超声加热溶解到丙酮溶液中，配制成质量浓度为2.5％的PMMA溶液。

步骤二：软模板的制备

称取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚体和引发剂，质量比为10：1，搅拌混合；然后浇铸在条带宽度为3μm、间距为1μm的硅模板上，在60℃的环境下固化；固化后将PDMS与硅模板分离，即得到PDMS软模板。

步骤三：在软模板表面旋涂热塑性聚合物

在旋转速度为4000rpm、旋转时间为30s的条件下，将PMMA溶液旋涂在PDMS软模板表面，得到表面附有PMMA的PDMS软模板。

步骤四：软模板表面热塑性聚合物的亲水

用氧等离子体处理PDMS表面的PMMA，保证PMMA表面亲水，其条件为：氧气流量是100mL/min，功率为45W，时间为30s。

步骤五：基底的亲水处理

采用溶液法对直径为10mm毛细管外壁进行亲水，具体是将毛细管放在体积比为7：3的浓硫酸和双氧水的混合溶液，在90℃加热2h。取出后蒸馏水冲洗，氮气吹干待用。

步骤六：聚合物转移到基底表面

在室温下，将步骤四中得到的表面附有亲水PMMA的PDMS软模板与步骤五中得到的亲水毛细管外壁接触，经过200s后，将PDMS从毛细管外壁表面分离开，PDMS表面的PMMA转移到毛细管外壁表面上。

实施例3

步骤一：热塑性聚合物的溶解

将聚苯乙烯(PS)固体超声加热溶解到丙酮溶液中，配制成质量浓度为2％的PS溶液。

步骤二：软模板的制备

称取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚体和引发剂，质量比为10：1，搅拌混合；然后浇铸在条带宽度为1μm、间距为1μm的硅模板上，在60℃的环境下固化；固化后将PDMS与硅模板分离，即得到PDMS软模板。

步骤三：在软模板表面旋涂热塑性聚合物

在旋转速度为6000rpm、旋转时间为60s的条件下，将PS溶液旋涂在PDMS软模板表面，得到表面附有PS的PDMS软模板。

步骤四：软模板表面热塑性聚合物的亲水

用氧等离子体处理PDMS表面的PS，保证PMMA表面亲水，其条件为：氧气流量是100mL/min，功率为45W，时间为30s。

步骤五：基底的亲水处理

采用溶液法对硅基底进行亲水，具体是将硅片放在体积比为7：3的浓硫酸和双氧水的混合溶液，在90℃加热2h。取出后蒸馏水冲洗，氮气吹干待用。

步骤六：聚合物转移到基底表面

在室温下，将步骤四中得到的表面附有亲水PS的PDMS软模板与步骤五中得到的亲水硅片基底接触，经过30s后，将PDMS从硅片基底表面分离开，PDMS表面的PS转移到基底表面。

实施例4

步骤一：热塑性聚合物的溶解

将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)固体超声加热溶解到丙酮溶液中，配制成质量浓度为3％的PMMA溶液。

步骤二：软模板的制备

称取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚体和引发剂，质量比为10：1，搅拌混合；然后浇铸在方格宽度为1μm、间距为1μm的硅模板上，在60℃的环境下固化；固化后将PDMS与硅模板分离，即得到PDMS软模板。

步骤三：在软模板表面旋涂热塑性聚合物

在旋转速度为3000rpm、旋转时间为60s的条件下，将PMMA溶液旋涂在PDMS软模板表面，得到表面附有PMMA的PDMS软模板。

步骤四：软模板表面热塑性聚合物的亲水

用氧等离子体处理PDMS表面的PMMA，保证PMMA表面亲水，其条件为：氧气流量是100mL/min，功率为45W，时间为30s。

步骤五：基底的亲水处理

采用溶液法对导电玻璃基底进行亲水，具体是将导电玻璃基底放在体积比为7：3的浓硫酸和双氧水的混合溶液，在90℃加热2h。取出后蒸馏水冲洗，氮气吹干待用。

步骤六：聚合物转移到基底表面

在室温下，将步骤四中得到的表面附有亲水PMMA的PDMS软模板与步骤五中得到的亲水导电玻璃基底接触，经过5s后，将PDMS从导电玻璃基底表面分离开，PDMS表面的PMMA转移到基底表面。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可做出很多简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。