[发明专利]模板压印和表面起皱相结合构筑多级有序微结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物薄膜表面的微结构加工技术，特别是模板压印和表面起皱相结合构筑多级有序微结构的方法；具体涉及一种PDMS/PS(聚二甲基硅氧烷/聚苯乙烯)双层体系制备复合形貌的工艺方法。

背景技术

自然界中动植物表面天然存在的微纳复合结构已经引起了科学家们广泛的关注。通过向自然界的学习，使我们了解到高级结构，即微纳复合结构，对材料性能的影响，促使我们加深对材料表面加工作用的理解。近年来，功能性微纳复合结构的可控制备引起了各个领域的广泛研究。总的来说，表面形貌的制备技术主要有以下两种：“自上而下”(Top-down)方法和“自下而上”(Bottom-up)方法。“自上而下”就是利用机械和刻蚀技术使材料的尺寸逐渐减小，并达到微米、纳米尺度,如软刻蚀技术；“自下而上”则是由小分子级尺寸运用化学合成以达到寡分子或高分子的纳米级尺寸，即应用原子或分子创造有机和无机结构，如自组装技术。目前，微米尺度的功能性材料表面的制备方法已经取得了很大的进展，但不使用刻蚀技术而对材料表面进行图案化仍是一项挑战。本文结合“自上而下”和“自下而上”两种技术，在聚合物薄膜表面构筑微图案。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供模板压印和表面起皱相结合构筑多级有序微结构的方法。本发明选用PDMS为基底，与转移得到的PS薄膜构成软硬复合体系。利用简单的操作方式构筑了两级复合形貌，并做到了通过改变模板的加盖角度等实验参数，实现对复合形貌进行精确的调控。

本发明的技术方案如下：

一种模板压印和表面起皱相结合构筑多级有序微结构的方法，包括以下步骤：

(1)将PDMS弹性体固定到拉伸台上，按照预拉伸率为2-10％进行拉伸，一部分拉伸的PDMS用于制备皱纹模板，一部分拉伸的PDMS用于转移PS薄膜；

(2)将用于制备皱纹模板的拉伸的PDMS，经过氧等离子体处理5-30分钟，回缩后得到带有规整形貌的皱纹模板；

(3)在水浴环境下，将玻璃基底上旋涂的PS薄膜转移到步骤(1)的用于转移PS薄膜的拉伸的PDMS上，形成PDMS/PS双层体系，真空条件下进行干燥；

(4)将步骤(2)制备的皱纹模板以不同角度加盖到经过步骤(3)中真空干燥过的PDMS/PS双层体系上，90-120摄氏度下加热0.5-2小时后冷却到室温，将皱纹模板揭掉，得到一级形貌；

(5)将步骤(4)获得的具有一级形貌的PDMS/PS/双层体系回缩，产生二级皱纹形貌，最终制备了两级复合形貌。

其中PDMS弹性体可以采用现有技术的任何方法制备；同时也可以采用如下方法制备：将PDMS预聚体和交联剂按质量比为(5-20)：1混合后，用玻璃棒充分搅拌形成均匀的预聚物，将此预聚物在循环水式多用真空泵中脱气后倒入培养皿中，加热交联。

玻璃基底上旋涂PS薄膜可以采用现有技术的任何方法制备；同时也可以采用如下方法制备：在洁净的玻璃基底上旋涂质量分数为1wt％的聚乙烯亚胺的水溶液，干燥后继续旋涂质量分数为1-5wt％聚苯乙烯的四氢呋喃溶液。

步骤(1)中，用PDMS弹性体的拉伸率控制一级、二级形貌的周期；步骤(2)中，氧等离子体处理时间控制皱纹模板周期，进而调控一级形貌的周期；步骤(4)中，用皱纹模板的不同加盖角度调控两级形貌的相对取向，加热温度和时间调控一级形貌的高度。

该方法首先在洁净的玻璃基底旋涂聚乙烯亚胺(PEI)的水溶液，干燥后继续旋涂聚苯乙烯(PS)的四氢呋喃溶液。在水浴环境下，将该PS薄膜转移到拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上，形成PDMS/PS软硬复合体系。在该样品上加盖预先制备的皱纹模板后加热，在冷却过程中PDMS/PS双层体系形成一级形貌。然后将预拉伸的PDMS回缩，PDMS/PS双层体系形成二级皱纹形貌。通过改变模板压印得到的一级形貌与表面起皱得到的二级形貌相交角度，控制复合形貌的各向异性。本方法成本低，过程简单，重复性好，实现了在PDMS基底上构筑精确可控的多级有序微结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该技术成本低、精度高、操作简便、应用范围广。精细调控了PDMS弹性体表面的图案化微结构的形貌，避免了自上而下方法中昂贵仪器的使用、复杂的工艺条件、和苛刻的实验参数等缺点，也避免了从下而上方法中图案规整度相对较差和尺寸范围小等不足。采用本发明的方法制得的微结构在在光学、微电子、传感器、生物医学等很多领域有着广泛的应用前景。

附图说明