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大連交通大學(xué)2017屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯
使用沖壓轉(zhuǎn)移工藝的直接制造模式與微孔表面上的疏水性納米結(jié)構(gòu)的PDMS模具
摘要：轉(zhuǎn)印沖壓工藝近年來被用來制造薄膜圖案。由于模具和油墨的材料的特性，在模具的空腔和底層上的剩余層上的殘留油墨仍然是一個(gè)問題。為了解決這個(gè)問題，我們提出了一種在模具微觀結(jié)構(gòu)的空腔上制造疏水性納米結(jié)構(gòu)的概念，可以有效地減少在涂層過程中存在于模具空腔上的凹陷。首先，在陽極氧化鋁（AAO）上制造周期性納米孔。第二，AAO膜被用作通過壓花在PC薄膜上制造納米結(jié)構(gòu)的模板。然后，通過將納米結(jié)構(gòu)的PC部分突出到模具的微孔中，形成突出的凸起微結(jié)構(gòu)的陣列。之后，從壓花PC薄膜鑄造聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具。納米結(jié)構(gòu)在PDMS模具的微腔上的接觸角約為145°。使用該P(yáng)DMS模具，使用轉(zhuǎn)印沖壓工藝，在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）基材上成功地轉(zhuǎn)移沒有殘留層的微圖案。
1、介紹
微接觸印刷（μ CP）[1]和納米接觸印刷（n CP）[2]已經(jīng)開發(fā)出來，以便直接制造沒有殘留層的微結(jié)構(gòu)。通過這些方法可以將聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具上微觀結(jié)構(gòu)的浮雕特征的油墨圖案轉(zhuǎn)移到底物上。還提出了一種轉(zhuǎn)印印刷工藝，用于制造PMMA基板上的薄膜圖案，用于有機(jī)薄膜晶體管的應(yīng)用[3,4]。該過程主要依賴于轉(zhuǎn)移界面，油墨/模具和油墨/基材的不同粘合力，從模具的浮雕特征到基底的轉(zhuǎn)印圖案。需要Nocomplex預(yù)處理，并且可以在一步中轉(zhuǎn)移模式。在理想情況下。如圖1（a）所示，轉(zhuǎn)印沖壓工藝可以直接從沖壓模具轉(zhuǎn)移微圖案，而沒有殘留層。但是在實(shí)際情況下。如圖1（b）所示，油墨通常在旋涂時(shí)存在于模具結(jié)構(gòu)的空腔中，并且在后續(xù)步驟中引起大量的殘留層。這是因?yàn)樵跊_壓步驟中壓力使模具變形，導(dǎo)致屋頂塌陷（參見圖1） 2（a））。為了解決屋頂塌陷，許多模具設(shè)計(jì)和制造具有高縱橫比。然而，高縱橫比的PDMS模具有其他缺陷，如屈曲或側(cè)向塌陷[5]，如圖1所示。2（b）和（c）分別導(dǎo)致轉(zhuǎn)印沖壓工藝失敗。
為了改善這些問題，我們提出了一種制備低縱橫比的模具的新方法，但通過控制微腔表面的潤(rùn)濕現(xiàn)象，能夠不殘留層的傳輸模式。固體表面潤(rùn)濕現(xiàn)象近年來已經(jīng)得到廣泛的研究。在理論領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)[6,7]中已經(jīng)研究了諸如蓮花之類的超疏水材料，它們可用于微流體，自清潔涂層，散熱板等。許多方法已經(jīng)開發(fā)了制造超疏水材料如光刻[8]，模板方法[9,10]，離子轟擊[11,12]，單層自組裝[13]，化學(xué)沉積[14,15]和光催化[16 ，17]。但是，這些方法的費(fèi)用高昂，費(fèi)時(shí)，復(fù)雜或有限。另一方面，由于其獨(dú)特的nanohoneycomb結(jié)構(gòu)，陽極氧化鋁（AAO）已被用作納米技術(shù)的納米結(jié)構(gòu)模板[18]。 AAO的特點(diǎn)可以通過調(diào)節(jié)陽極氧化條件[19,20]來容易地控制，例如陽極電壓，電解液的溫度和陽極氧化時(shí)間。 AAO的結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括抗反應(yīng)和疏水性。
在本文中，我們提出了一種使用AAO模板在微結(jié)構(gòu)空腔上制造疏水性納米結(jié)構(gòu)的新方法。我們首先制作AAO模板，然后將該模板用于壓印第一熱壓花工藝中的PC薄膜。接下來，我們使用這種壓花PC薄膜作為基材和具有微孔的不銹鋼模具進(jìn)行第二次熱壓花加工。之后，獲得具有AAO納米結(jié)構(gòu)的凸起微結(jié)構(gòu)的PC薄膜。然后將這種具有納米/微結(jié)構(gòu)的PC薄膜作為主模鑄造結(jié)構(gòu)由PDMS。最后，得到了微腔表面疏水性納米結(jié)構(gòu)的PDMS模具。完整的加工過程如圖1所示。我們還通過測(cè)量證明了AAO納米結(jié)構(gòu)的疏水性接觸角（CA）在不同結(jié)構(gòu)的PDMS模具表面。最后，轉(zhuǎn)移沖壓工藝的結(jié)果表明，微孔疏水納米結(jié)構(gòu)表面的PDMS模具可以改善殘留層和殘留層的問題。2、微孔表面疏水納米結(jié)構(gòu)PDMS模具的制備
2.1． 具有多孔納米結(jié)構(gòu)的AAO模板和具有微孔的模具的制備
圖1
使用的AAO模板的材料是99.7％純度的工業(yè)鋁薄板，AAO模板的制造過程如圖1所示。一開始，將片材在高氯酸和乙醇的混合溶液中電拋光（HCl O4：C2H5OH = 1:4），作為陰極施加碳黑作為陽極。提供10 V的恒定電壓15分鐘。然后，拋光的片材首先在0.1M草酸溶液中陽極氧化5小時(shí);的溫度溶液保持在4℃，并施加80V的恒定電壓。然后將片材浸入6重量％磷酸的溶液中，以90rpm的速度攪拌32℃溫度2小時(shí)以除去薄片上的氧層。那么那張表
在與氧氣相同的條件下第二次陽極氧化，但只有10分鐘。接下來，為了擴(kuò)大AAO的孔，將片材在90rpm的攪拌速度和32℃的溫度下再次放入6重量％的磷酸溶液中15分鐘。
最終，獲得了具有多孔納米結(jié)構(gòu)的AAO模板。圖5顯示了具有納米孔的AAO模板的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。由于這種鋁材料的雜質(zhì)，AAO模板上的納米結(jié)構(gòu)是像蓮子葉一樣混雜有微米和納米結(jié)構(gòu)的表面，產(chǎn)生高疏水性。為了制造微結(jié)構(gòu)，我們制造了帶有微孔的不銹鋼模具。首先，一個(gè)50毫米厚的不銹鋼具有微孔陣列的蔭罩由臺(tái)灣科技星科技提供。不銹鋼陰影面具有300?300孔的陣列，并通過雙面光刻和濕法蝕刻制成。圖6是不銹鋼模具的光學(xué)顯微鏡（OM）圖像。微孔是直徑為145 lm，間距為200μm。
圖2
2.2． 氣輔熱壓花工藝
圖。7是氣輔熱壓花加工方案。 在這個(gè)過程中，模具和聚合物基材最終放在熱板上，聚（對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）（PET）薄膜用作真空薄膜以覆蓋模具和基材。 接下來，房間關(guān)閉，并且N2氣體作為壓力吹入室內(nèi); 在主題中，加熱器將溫度升高至或接近Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度），以軟化聚合物基材。在該步驟中，將模具壓制到軟化的基材上，在其上壓印“負(fù)”圖案 基質(zhì)。 之后，腔室被冷卻，氣體被釋放并且室被打開。 事實(shí)上，獲得了具有結(jié)構(gòu)的該
圖3
壓花基板。
2.3.制造工藝
在微腔表面制備疏水納米結(jié)構(gòu)的PDMS模具的過程如圖1所示。第一步是通過將裸露的PC薄膜突出到AAO模板的孔中來制造納米結(jié)構(gòu)的PC薄膜。在第二步中，納米結(jié)構(gòu)的PC薄膜用作襯底。第二步是在這種AAOnano結(jié)構(gòu)的PC薄膜上制造突出的微結(jié)構(gòu)。具有AAO納米結(jié)構(gòu)的凸起的微觀結(jié)構(gòu)是通過在熱壓花過程中在毛細(xì)管和表面張力的作用下將軟化膜部分地突出到不銹鋼模具的微孔中而形成的。之后，下面的步驟是使用PDMS混合物復(fù)制該壓花PC薄膜的結(jié)構(gòu)。這種具有納米結(jié)構(gòu)的預(yù)制凸型微結(jié)構(gòu)的PC薄膜應(yīng)用于主模具;然后將PDMS混合物由基劑和固化劑組成，比例為10：1，然后將其澆注到母模上，將疏水性納米結(jié)構(gòu)的PDMS模鑄于微腔表面。在室溫下合適的固化時(shí)間后，得到微腔表面疏水性納米結(jié)構(gòu)的PDMS模具。
圖4
圖5
圖6
圖7
2.4. 納米結(jié)構(gòu)在微結(jié)構(gòu)空腔上的結(jié)果和討論
圖8（a）顯示了具有納米結(jié)構(gòu)的突出凸型微結(jié)構(gòu)的PC薄膜的SEM圖像。該P(yáng)C薄膜依次由第一和第二氣輔熱壓花工藝制成。第一次熱壓花的參數(shù)為155℃和20kgfcm2，在二次壓花過程中參數(shù)為140℃和25kgfcm2。該圖顯示了通過第一和第二次氣體輔助熱壓花加工，在壓花PC薄膜上突出的凸出微結(jié)構(gòu)的表面上成功地制造了AAO納米結(jié)構(gòu)。然后將該P(yáng)C薄膜用于主模具，并通過PDMS混合物復(fù)制其結(jié)構(gòu)。固化PDMS混合物后，獲得微腔表面上的疏水性納米結(jié)構(gòu)的PDMS模具。圖。圖8（b）顯示了該微腔的疏水性納米結(jié)構(gòu)表面的PDMS模具的SEM圖像。如圖所示，這些表面微腔充滿AAO納米結(jié)構(gòu)。證明了AAO納米結(jié)構(gòu)與微腔結(jié)構(gòu)的組合是通過第二次熱壓花加工實(shí)現(xiàn)的。微腔表面疏水性納米結(jié)構(gòu)PDMS模具的表面結(jié)構(gòu)如圖1所示。該圖顯示了空腔的深度約為18 lm。為了評(píng)估AAO納米結(jié)構(gòu)的疏水性，我們測(cè)量了不同PDMS表面的接觸角（CA），如圖1所示。光滑PDMS表面無納米結(jié)構(gòu)的CA約為110°，如圖10所示。恰恰相反圖10（b）顯示具有納米結(jié)構(gòu)的PDMS中的CA的CA。該署近145度。發(fā)現(xiàn)CA比平滑PDMS表面高，這證明納米結(jié)構(gòu)可以有效地改善疏水性。圖10（c）顯示了具有納米結(jié)構(gòu)的彎曲PDMS上的CA。相比圖如圖10（b）所示，結(jié)果表明，在第二次氣體輔助熱壓花加工之后，疏水性仍然保持。
3、疏水納米結(jié)構(gòu)PDMS模具在微腔表面的應(yīng)用
3.1. 轉(zhuǎn)印沖壓工藝
如上所述， 圖1示意性地示出了轉(zhuǎn)印過程：首先，油墨旋涂在模具上。 接下來，將該模具壓在基板上，以從該模具的特征轉(zhuǎn)移墨圖案。 接下來的步驟是脫模。最后，獲得轉(zhuǎn)印圖案。 在我們的實(shí)驗(yàn)中，使用厚度為180 lm的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜（A型，NAN YA，臺(tái)灣）作為透明透明基材，油墨材料為正性光致抗蝕劑EPG 510（Everlight Chemical Inc.，Taiwan）。
圖8
圖9
圖10
3.2． 在PET基板上轉(zhuǎn)印的圖案的結(jié)果和討論
在這項(xiàng)研究中，轉(zhuǎn)移沖壓過程是在微腔表面的疏水性納米結(jié)構(gòu)的PDMS模具以及簡(jiǎn)單地具有微腔但沒有疏水性納米結(jié)構(gòu)的PDMS模具中進(jìn)行的。我們分別使用這兩個(gè)模具進(jìn)行轉(zhuǎn)印沖壓加工。墨水使用的材料是EPG510（一種正性光致抗蝕劑）。一開始，將適量的EPG510放在模具上; 1分鐘后，旋涂機(jī)以6000rpm運(yùn)行20秒。然后，將霉菌壓在0.4kgfcm2氣壓下的PET膜上1分鐘，將油墨圖案從模具特征轉(zhuǎn)移到PET膜。之后，釋放壓力，下一步是脫模。最后得到轉(zhuǎn)印圖案。圖11顯示了轉(zhuǎn)印沖壓工藝的結(jié)果。圖11（a）顯示了僅具有微腔但沒有疏水性納米結(jié)構(gòu)的PDMS模具的轉(zhuǎn)移模式。很明顯在這些微腔中存在殘留的EPG510，其被轉(zhuǎn)移到PET膜上，產(chǎn)生大量的殘留物。相反，圖11（b）顯示了表面上疏水性納米結(jié)構(gòu)的PDMS模具的轉(zhuǎn)移模式微腔到PET薄膜。轉(zhuǎn)印圖案中這些圓形的最大直徑為146.3lm，與模具結(jié)構(gòu)的偏差約為0.9％。轉(zhuǎn)移圖案中的圓形形狀的最小直徑為141.3lm，偏差為2.6％。并且轉(zhuǎn)移圖案中的這些圓形的平均直徑為144.3lm，導(dǎo)致約0.5％的偏差。比較圖圖11（a）如圖11（b）所示，AAO納米結(jié)構(gòu)顯然有助于解決殘留油墨的問題和轉(zhuǎn)印沖壓過程中的殘留層
圖11
4、結(jié)論
在移印過程中消除殘留油墨和殘留層，在本文中，我們提出了在模具微觀結(jié)構(gòu)的空腔上形成疏水性納米結(jié)構(gòu)的思路。我們還報(bào)道了納米結(jié)構(gòu)的新穎制造的陽極氧化鋁（AAO）模板在突出的微觀結(jié)構(gòu)上。在相同的聚碳酸酯（PC）薄膜上按照熱壓花制造納米結(jié)構(gòu)和凸出的微結(jié)構(gòu)。之后，PDMS模具被鑄造從壓花PC薄膜，最終得到微孔表面的疏水性納米結(jié)構(gòu)PDMS模具。具有納米結(jié)構(gòu)的PDMS上的接觸角為145°，高于光滑PDMS表面上的接觸角，無納米結(jié)構(gòu)約為110°。結(jié)果表明，納米結(jié)構(gòu)可以有效地提高疏水性能。而且，具有納米結(jié)構(gòu)的彎曲PDMS的接觸角也約為145°。此外，使用該P(yáng)DMS模具的轉(zhuǎn)印沖壓工藝已經(jīng)在PET基板上成功地轉(zhuǎn)移了具有無殘留層的微圖案。顯然，微孔表面上疏水性納米結(jié)構(gòu)的PDMS模具的制造有助于解決殘留油墨的問題，轉(zhuǎn)印沖壓過程中的殘留層。
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