[发明专利]一种等离子体辅助的聚合物表面微结构热压印方法

说明书

本发明涉及一种等离子体辅助的聚合物表面微结构热压印方法，该方法包括以下步骤：利用等离子体表面处理技术对聚合物材料及模板表面进行处理；加热聚合物材料至玻璃化转变温度(Tg)以上；施加压力使其充填模板上的微细模腔；卸载压力；冷却，使材料和模板降温至Tg以下，固化已成形的聚合物微结构；施加脱模力完成脱模，获得表面加工有微结构的聚合物产品。与现有技术相比，本发明通过增强粘附减小热压印工艺中聚合物的回弹，降低了实现高精度复制所需的压印温度，有效缩短了保压时间，甚至无需保压阶段，可显著缩短热压印工艺周期、提高加工效率，此外，本发明允许完全卸载后再施加冷却，为热压印工艺过程的优化提供更多有效的途径。

技术领域

本发明涉及一种聚合物表面微结构热压印方法，尤其涉及减少热压印中聚合物回弹的方法。

背景技术

热压印工艺作为一种在聚合物基材表面直接复制微结构的方法，在光学薄膜、微流控芯片、微机电系统以及特殊功能材料等产品的制造中有着广阔的应用前景。该工艺主要包含加热、压印、冷却和脱模四个步骤，所用聚合物基材主要为热塑性类，具体原理为：室温下处在玻璃态的聚合物材料被加热至玻璃化转变温度(Tg)以上后进入橡胶态，模量显著降低(与室温下相比通常下降2～3个数量级)，而流动性能则显著提高，此时，施加压力可使其顺利充填微纳米尺度的模腔；在橡胶态下，聚合物材料的形变回复亦变得十分容易，卸载过程中可发生显著的回弹(形变回复量可达50％以上)，因此，完成充型后，通常需要给予一定的保压或保形时间，使积聚在聚合物材料内部的弹性应变能得以通过应力松弛的方式释放，从而有效减小回弹量，此外，卸载前给予足够的冷却，使聚合物材料在保形过程中回到玻璃态，“冻结”分子链中链段的运动，可进一步有效减小回弹，最终实现微结构的高精度复制。

随着微结构聚合物产品越来越广泛地应用于人们的生活，其加工需求也日益增长，然而，由于上述回弹问题，热压印工艺需要必要的保压时间和卸载前的冷却，工艺周期较长，难以满足增长的需求对于加工效率的要求。如何缩短热压印工艺加工周期，提高其加工效率，是热压印技术在工业应用中面临的一大挑战。1998年，美国普林斯顿大学的Tan等人提出了热辊压印方法(Tan,H.,Gilbertson,A.,Chou,S.Y.,1998.Roller nanoimprintlithography.J.Vac.Sci.Technol.B 16,3926)，该方法虽然因其连续、高效的生产方式和加工大面积微结构的能力而受到广泛的关注和研究，但是其中的回弹问题相比传统的平压方法更加明显，主要原因在于连续辊压过程中保压时间短且难以在卸载前施加冷却，而为了提高其复制精度，通常不得不降低辊压速度。中国专利201110171743.1公开了一种粘弹热触发热塑性聚合物超声波压印方法：首先，将模板加热至热塑性聚合物的Tg以上1～60℃；然后，将室温下的聚合物基片放置在模板上并加载超声振动，利用超声振动触发聚合物材料的粘弹性产热，加速成形区内材料的软化和流动；最后，停止超声振动并施加一定时间的保压压力，以防止聚合物的形变回复。该发明方法利用聚合物材料的粘弹性产热特点缩短了加热及充型时间，但是为了减小回弹仍然需要较长的保压时间，对于热压印工艺加工效率的提高十分有限。

因此，现有的热压印工艺还需要进一步改进，尤其加工效率亟待进一步提高，而高效的减小聚合物形变回复的方法则成为提高热压印工艺加工效率的关键。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种等离子体辅助的聚合物表面微结构热压印方法。主要是克服现有热压印工艺中存在的由于聚合物回弹造成的加工效率较低的不足，提供一种利用粘附防止卸载过程中聚合物回弹的方法，降低实现高精度复制所需的压印温度，并有效减少保压时间，可显著缩短热压印工艺周期，同时，利用本发明可简化加热及冷却流程，为热压印工艺加工效率的提高提供更多有效的途径。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种等离子体辅助的聚合物表面微结构热压印方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：