本發(fā)明涉及材料微納加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用室溫反壓印技術(shù)制備熱塑性聚合物多級(jí)結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)：

多級(jí)結(jié)構(gòu)材料指以不同尺度或不同化學(xué)組份的結(jié)構(gòu)基元通過(guò)多種相互作用搭建而成的構(gòu)筑物質(zhì)，具有高比表面積、高孔隙率和低密度等特性，在催化、生物、能量存儲(chǔ)、光電子、鋰離子電池等眾多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。人們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)飛蛾的眼角膜排列成六角形陣列，上面有很多細(xì)小的凸形納米陣列，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)使得飛蛾的眼角膜表現(xiàn)出很強(qiáng)的消反射效果。通過(guò)模仿飛蛾復(fù)眼的這種多級(jí)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)折射系數(shù)從空氣到基底的緩慢變化從而減少反射光的損失，進(jìn)而應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和光電設(shè)備等領(lǐng)域。同時(shí)人們還發(fā)現(xiàn)水稻葉在平行于葉脈方向有約50μm左右的大溝槽，在溝槽上又分布著無(wú)數(shù)直徑為5μm左右的微柱，從而使水滴落在水稻上時(shí)會(huì)沿著葉脈方向落下。模仿水稻葉的這種各向異性疏水性制備的多級(jí)材料可以應(yīng)用于微流體領(lǐng)域。

多級(jí)結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)筑方法主要包括自組裝法、仿生法、模板法等。例如，CN104476895A報(bào)道了一種模板壓印和表面起皺相結(jié)合構(gòu)筑多級(jí)有序微結(jié)構(gòu)的方法，通過(guò)改變模板壓印得到的一級(jí)形貌與表面起皺得到的二級(jí)形貌相交角度,控制復(fù)合形貌的各向異性；CN1919720報(bào)道了一種制備多級(jí)硅納米器件的方法，結(jié)合掃描探針顯微鏡分辨率高、操作靈活的優(yōu)點(diǎn)和微電子工業(yè)中已經(jīng)相對(duì)成熟的化學(xué)濕法刻蝕技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)結(jié)構(gòu)的制備加工。目前構(gòu)筑多級(jí)結(jié)構(gòu)的方法工藝比較復(fù)雜，而且需要特殊的儀器和設(shè)備，難于實(shí)現(xiàn)大面積的制備，限制了多級(jí)結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了克服傳統(tǒng)模板法制備多級(jí)材料過(guò)程中的設(shè)備高昂、操作復(fù)雜及耗時(shí)較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，提供了一種常溫、常壓、快速制備熱塑性聚合物多級(jí)結(jié)構(gòu)的方法。

按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述的一種采用室溫反壓印技術(shù)制備熱塑性聚合物多級(jí)結(jié)構(gòu)的方法，其特征是，包括以下步驟：

(1)首先通過(guò)超聲和加熱，將熱塑性聚合物固體溶解到溶劑中，溶劑的選擇遵循相似相容的極性原則，得到熱塑性聚合物溶液；

(2)然后在凸凹結(jié)構(gòu)的軟模板表面旋涂或噴涂熱塑性聚合物溶液，待溶劑揮發(fā)完畢，得到表面附有熱塑性聚合物的軟模板；

(3)然后通過(guò)氧等離子體或紫外臭氧處理，使得步驟(2)中軟模板上的熱塑性聚合物表面產(chǎn)生大量羥基，從而達(dá)到親水效果；

(4)最后在室溫下將經(jīng)過(guò)步驟(3)處理后的表面附有熱塑性聚合物的軟模板與親水基底接觸，熱塑性聚合物表面的羥基與基底表面的羥基發(fā)生氫鍵作用，經(jīng)過(guò)5～600s后，將軟模板從基底表面分離開(kāi)，軟模板表面的熱塑性聚合物轉(zhuǎn)移到基底表面，得到熱塑性聚合物一級(jí)結(jié)構(gòu)；。

(5)將步驟(4)中得到熱塑性聚合物一級(jí)結(jié)構(gòu)為基底重復(fù)上述步驟(2)～(4)一次或者多次，得到該聚合物二級(jí)結(jié)構(gòu)及多級(jí)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，步驟(1)中的熱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、聚對(duì)苯乙烯-聚氧化乙烯共聚物、ABS樹(shù)脂、聚丙烯酰胺、聚環(huán)氧乙烷。

進(jìn)一步的，步驟(2)、(3)及(4)中的軟模板包括聚二甲基硅氧烷模板、三元乙丙橡膠模板、全氟聚醚模板、聚氨酯丙烯酸酯模板。

進(jìn)一步的，步驟(4)中的基底包括平面及曲面的硅片、氧化硅片、砷化鎵片、石英片、導(dǎo)電玻璃片、聚合物片。

進(jìn)一步的，步驟(4)中的親水基底是通過(guò)氧等離子體、紫外臭氧或親水溶液處理基底而得到的。

進(jìn)一步的，步驟(4)中溶液處理親水方法是將基底放在氨水和雙氧水的混合水溶液中，或?qū)⒒追旁跐饬蛩岷碗p氧水的混合溶液中，在50～90℃加熱條件下進(jìn)行處理。

進(jìn)一步的，步驟(4)中的室溫為0～40℃。

本發(fā)明具有以下優(yōu)越性：

(1)熱塑性聚合物在常溫常壓下進(jìn)行圖案化，避免了高溫高壓耗能的過(guò)程；

(2)熱塑性聚合物圖案化過(guò)程中無(wú)需價(jià)格高昂的設(shè)備，耗時(shí)短，提高圖案化效率；

(3)通過(guò)使用不同的模板或相同模板可制備出多種的多級(jí)結(jié)構(gòu)；

(4)制備的多級(jí)結(jié)構(gòu)可以在疏水材料和消反射材料上有所應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1中采用室溫反壓印技術(shù)制備的聚甲基丙烯酸甲酯二級(jí)結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片；

圖2為實(shí)施例1中采用室溫反壓印技術(shù)制備的聚甲基丙烯酸甲酯一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)及無(wú)結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的反射率曲線；

圖3為實(shí)施例2中采用室溫反壓印技術(shù)制備的聚甲基丙烯酸甲酯二級(jí)結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

步驟一：熱塑性聚合物的溶解

將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)固體超聲加熱溶解到丙酮溶液中，配制成質(zhì)量濃度為2.5％的PMMA溶液。

步驟二：軟模板的制備

稱取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的預(yù)聚體和引發(fā)劑，質(zhì)量比為10：1，攪拌混合；然后澆鑄在條帶寬度為3μm、間距為1μm的硅模板及條帶寬度為1μm、間距為1μm的硅模板的表面，在60℃的環(huán)境下固化；固化后將PDMS與硅模板分離，即得到條帶寬度為1μm、間距為3μm的PDMS軟模板(PDMS-1)和條帶寬度為1μm、間距為1μm的PDMS軟模板(PDMS-2)。

步驟三：在軟模板表面旋涂熱塑性聚合物

在旋轉(zhuǎn)速度為4000rpm、旋轉(zhuǎn)時(shí)間為30s的條件下，將PMMA溶液分別旋涂在PDMS-1和PDMS-2軟模板表面，得到表面附有PMMA的PDMS軟模板。

步驟四：軟模板表面熱塑性聚合物的親水

用氧等離子體處理PDMS-1和PDMS-2表面的PMMA，保證PMMA表面親水，其條件為：氧氣流量是100mL/min，功率為45W，時(shí)間為30s。

步驟五：基底的親水處理

采用溶液法對(duì)基底進(jìn)行親水，具體是將硅片放在體積比為7：3的濃硫酸和雙氧水的混合溶液中，在90℃加熱2h。取出后蒸餾水沖洗，氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

步驟六：熱塑性聚合物一級(jí)結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PMMA的PDMS-1軟模板與親水硅片基底接觸，經(jīng)過(guò)60s后，將軟模板從硅片基底表面分離開(kāi)，PDMS-1表面的PMMA轉(zhuǎn)移到基底表面，得到熱塑性聚合物的一級(jí)結(jié)構(gòu)。

步驟七：熱塑性聚合物二級(jí)結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PMMA的PDMS-2軟模板與步驟六中得到的具有一級(jí)結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面接觸，經(jīng)過(guò)300s后，將軟模板剝離，PDMS-2表面的PMMA轉(zhuǎn)移到一級(jí)結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面，得到熱塑性聚合物的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2

步驟一：熱塑性聚合物的溶解

將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)固體超聲加熱溶解到丙酮溶液中，配制成質(zhì)量濃度為2.5％的PMMA溶液。

步驟二：軟模板的制備

稱取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的預(yù)聚體和引發(fā)劑，質(zhì)量比為10：1，攪拌混合；然后澆鑄在條帶寬度為3μm、間距為1μm的硅模板及方格寬度為0.8μm、間距為0.8μm的硅模板的表面，在60℃的環(huán)境下固化；固化后將PDMS與硅模板分離，即得到條帶寬度為1μm、間距為3μm的PDMS軟模板(PDMS-1)和條方格寬度為1μm、間距為1μm的PDMS軟模板(PDMS-3)。

步驟三：在軟模板表面旋涂熱塑性聚合物

在旋轉(zhuǎn)速度為4000rpm、旋轉(zhuǎn)時(shí)間為30s的條件下，將PMMA溶液分別旋涂在PDMS-1和PDMS-3軟模板表面，得到表面附有PMMA的PDMS軟模板。

步驟四：軟模板表面熱塑性聚合物的親水

用氧等離子體處理PDMS-1和PDMS-3表面的PMMA，保證PMMA表面親水，其條件為：氧氣流量是100mL/min，功率為45W，時(shí)間為30s。

步驟五：基底的親水處理

采用溶液法對(duì)基底進(jìn)行親水，具體是將硅片放在體積比為7：3的濃硫酸和雙氧水的混合溶液中，在90℃加熱2h。取出后蒸餾水沖洗，氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

步驟六：熱塑性聚合物一級(jí)結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PMMA的PDMS-1軟模板與親水硅片基底接觸，經(jīng)過(guò)60s后，將軟模板從硅片基底表面分離開(kāi)，PDMS-1表面的PMMA轉(zhuǎn)移到基底表面，得到熱塑性聚合物的一級(jí)結(jié)構(gòu)。

步驟七：熱塑性聚合物二級(jí)結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PMMA的PDMS-3軟模板與步驟六中得到的具有一級(jí)結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面接觸，經(jīng)過(guò)100s后，將軟模板剝離，PDMS-3表面的PMMA轉(zhuǎn)移到一級(jí)結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面，得到熱塑性聚合物的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例3

步驟一：熱塑性聚合物的溶解

將聚苯乙烯(PS)固體超聲加熱溶解到丙酮溶液中，配制成質(zhì)量濃度為2％的PS溶液。

步驟二：軟模板的制備

稱取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的預(yù)聚體和引發(fā)劑，質(zhì)量比為10：1，攪拌混合；然后澆鑄在條帶寬度為3μm和間距為1μm的硅模板、條帶寬度為1.5μm和間距為0.8μm的硅模板、條帶寬度為0.8μm和間距為0.8μm的硅模板表面，在60℃的環(huán)境下固化；固化后將PDMS與硅模板分離，即得到條帶寬度為1μm和間距為3μm的PDMS軟模板(PDMS-1)、條帶寬度為0.8μm和間距為1.5μm的PDMS軟模板(PDMS-4)及條帶寬度為0.8μm和間距為0.8μm的PDMS軟模板(PDMS-5)。

步驟三：在軟模板表面旋涂熱塑性聚合物

在旋轉(zhuǎn)速度為4000rpm、旋轉(zhuǎn)時(shí)間為30s的條件下，將PS溶液分別旋涂在PDMS-1、PDMS-4和PDMS-5軟模板表面，得到表面附有PS的PDMS軟模板。

步驟四：軟模板表面熱塑性聚合物的親水

用氧等離子體處理PDMS-1、PDMS-4和PDMS-5表面的PS，保證PS表面親水，其條件為：氧氣流量是100mL/min，功率為45W，時(shí)間為30s。

步驟五：基底的親水處理

采用溶液法對(duì)基底進(jìn)行親水，具體是將硅片放在體積比為7：3的濃硫酸和雙氧水的混合溶液中，在90℃加熱2h。取出后蒸餾水沖洗，氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

步驟六：熱塑性聚合物一級(jí)結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PS的PDMS-1軟模板與親水硅片基底接觸，經(jīng)過(guò)60s后，將軟模板從硅片基底表面分離開(kāi)，PDMS-1表面的PS轉(zhuǎn)移到基底表面，得到熱塑性聚合物的一級(jí)結(jié)構(gòu)。

步驟七：熱塑性聚合物二級(jí)結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PS的PDMS-4軟模板與步驟六中得到的具有一級(jí)結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面接觸，經(jīng)過(guò)100s后，將軟模板剝離，PDMS-4表面的PS轉(zhuǎn)移到一級(jí)結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面，得到熱塑性聚合物的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

步驟八：熱塑性聚合物三級(jí)結(jié)構(gòu)的制備

在室溫下，將表面附有親水PS的PDMS-5軟模板與步驟七中得到的具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面接觸，經(jīng)過(guò)300s后，將軟模板剝離，PDMS-5表面的PS轉(zhuǎn)移到二級(jí)結(jié)構(gòu)的熱塑性聚合物表面，得到熱塑性聚合物的三級(jí)結(jié)構(gòu)。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可做出很多簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。