[发明专利]利用纳米材料改性PDMS制作热模压模具的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机械加工技术领域热压模具的制作方法，具体地说，涉及的是一种利用纳米材料改性PDMS(聚二甲基硅氧烷)制作热模压模具的方法。

背景技术

经过十几年的发展，微流控芯片已经在生化分析领域得到了广泛应用。制作微流控芯片的材料主要有硅、玻璃、塑料、陶瓷和硅橡胶等，由于高分子材料具有加工成型方便、价格便宜，可以廉价的大批量生产等优点，已经成为研究的热点。目前，制作聚合物微流控芯片的方法主要有热模压、注塑、激光烧蚀和LIGA技术等多种方法。

热模压是利用热塑性材料在高于其玻璃转化温度(Tg)的时候软化的特点，将模具与热塑性材料放在一起，加温到高于其Tg温度，并施加以一定的压力，经一定时间后，并经降温脱模过程，从而将模具的图形转移到热塑性材料上。热模压技术由于模压材料更换方便、加工成型简单、生产周期短，是一种极具商业应用潜力的加工技术。热压技术中最关键的是模具的制造，传统的有硅模具、金属模具以及玻璃模具。硅模在模压中很容易破裂，因而使用寿命不长；而通过微机电加工工艺制备的金属模具，工艺加工周期长，成本高，并且在其电铸制备工艺中使用的环氧负性光刻胶与衬底的结合力差，在电铸的过程中容易脱落，而且在电铸后脱模时光刻胶难以去除彻底，容易对模具表面形成损伤，是该工艺的一大难点；玻璃模具由于受限于玻璃加工工艺，不能制作较深的模具，且模具由于玻璃各向同性腐蚀的特点，很难精确的控制结构。

目前国内外出现了多种利用聚合物材料作为热模压的模具的报道，而PDMS由于其价格便宜、对图形复制性好，尤其引人关注。

经对现有文献的检索发现，2004年Terry Koerner等在Sensors and Actuators，(传感器和执行器)2004年第11期第1-2页发表的文章(Terry Koerner等，Epoxy resins as stamps for hot embossing of microstructures and microfluidic channels(环氧树脂做为热压结构和微通道的方法)采取在SU-8型(美国Microchem公司产品)负性环氧光刻胶制作的阴模具上浇注一层PDMS，待其固化脱模后形成PDMS阳模具，然后在PDMS阴模上浇注一层环氧树脂，脱模后即得到用于热模压的环氧树脂阴模具。虽然方法比较方便，但是环氧树脂制作的模具本身不能耐高温，而且环氧树脂本身对结构的复制不是太好；而美国Ahn课题组则直接使用PDMS聚合物做为热压的模具(Jin-Hwan Lee，ErikT.K.Peterson，Gabriel Dagani，and Ian Papautsky，Rapid prototypingof plastic microfluidic devices in cyclic olefin copolymer(COC).Proc.Of SPIE，2005，Vol.5718：83)。由于PDMS本身的杨氏模量小，热膨胀系数大，因此很难精确的控制整个热压过程。如何增强增韧聚合物，挖掘聚合物的力学性能潜力，一直是国内外高分子学者研究的热点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种利用纳米材料改性PDMS制作热模压模具的方法，通过使用纳米材料改性聚二甲基硅氧烷，使其机械强度及热膨胀系数都得到改善，同时又保持了PDMS对模具图形复制好、热压时候易脱模等优点，从而快速制做热压模具并可用于快速微流控芯片的制作。

本发明具有工艺流程周期短，难度低，重复性好，价格低廉等各项优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过使用纳米材料改性聚二甲基硅氧烷，采用纳米粒子与聚二甲基硅氧烷的固化剂及预聚体混合，混合均匀后加入到阳版模具上，固化后就形成具有相反结构的改性的PDMS阴版模具，将此改性的PDMS阴版模具从母模揭下来后就可作为热压的模具，该模具可以用于微机械制造工艺中使用热压工艺对热塑性材料进行加工。

所述纳米粒子，一般为纳米无机材料，其尺寸在500nm以下，本身不能有自身聚集，且在PDMS中易于分散，其杨氏模量大于PDMS的杨氏模量。如二氧化硅或二氧化钛、氧化铝等。由于加入的纳米粒子为纳米级，对尺度在微米级微流控芯片的模具结构影响较少，因此通过此方法制备的模具仍然具有PDMS对结构复制较好的特点，同时由于其纳米粒子的加入，和裸PDMS模具相比，强度得到了增强，可以用来制作模具，改善模压的质量。