[发明专利]一种基于主动制冷液滴凝结的表面微结构制备方法

说明书

本发明公开了一种基于主动制冷液滴凝结的表面微结构制备方法，它通过主动制冷的液滴凝结技术，使置于一定蒸气环境下的聚合物表面温度低于环境温度，从而空气中的蒸气在聚合物表面成核，凝结长大并自组装成均匀分布的液滴，采用紫外固化实现聚合物固化和液滴蒸发，在聚合物表面得到均匀分布的微结构。本发明仅仅采用单相的聚合物材料，采用主动制冷实现聚合物温度降低，实现液滴凝结，用于替代传统的利用有机溶剂挥发制冷的表面微结构制备技术，简化了制备工艺，避免了由于有机溶剂使用带来的对人体的毒害以及环境污染等问题，具有工艺简单、成本低、微结构尺寸和形貌灵活可控和绿色环保的优点。

技术领域

本发明涉及有机胶体表面微结构制备技术，尤其是涉及一种基于主动制冷液滴凝结的表面微结构制备方法。

背景技术

表面微结构薄膜广泛应用光学、生物医学和功能材料等领域。目前，主要的表面微结构制备技术主要有光刻和模具压印等方法。

光刻的方法需要制作掩膜版，依赖光刻机设备，包含涂胶、曝光、显影、前烘和后烘等工艺，成本较高且工艺复杂。模具压印方法通常包括两个步骤，首先是模具的制造，然后是模压成型在胶体的表面制作微结构。模具的加工还是必须依赖光刻和刻蚀、激光加工工艺，仍然解决不了成本较高、制造的周期长、工艺复杂的缺点，且脱模时容易损坏微结构。微结构的形貌和粗糙度完全由模具的形状和质量决定；此外，模压时的温度、压力、聚合物流体的粘度等可能会影响微结构表面质量，从而影响其物理和光学性能等。

呼吸图案法利用水滴作为压印模具，具体的工艺过程为聚合物溶于易挥发且与水不相溶的有机溶剂中，溶剂快速挥发产生一定的温度梯度，聚合物溶液表面温度下降，导致高湿度环境中的水蒸气在溶液表面成核，随着挥发-冷凝过程的继续，水滴增长并自组装成有序阵列，当溶剂完全挥发后，在聚合物表面形成微结构。随着溶剂的挥发，改变了溶液的物理性质，整个工艺过程属于非等温和非平衡的过程，因而溶液表面的温度控制非常困难，从而不能实现水滴的凝结过程的有效控制，与水滴一一对应的微结构尺寸和周期分布也不能灵活调控。此外，有机溶剂通常为常用的为三氯甲烷或者二硫化碳，对人体有毒性危害，且污染环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、工艺简单、形貌灵活可控的基于主动制冷液滴凝结的表面微结构制备方法，基于主动制冷的液滴凝结方法在聚合物表面制备微结构，简化工艺过程，实现微结构形貌灵活可控，同时降低加工成本且加工过程绿色环保无污染。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于主动制冷液滴凝结的表面微结构制备方法，特征是：包括以下步骤：

A、准备基板，将聚合物放置在基板表面，在基板上得到聚合物薄膜；

B、聚合物薄膜置于紫外灯下面，通过紫外照射实现聚合物的预固化；

C、准备具有蒸气氛围的恒温恒湿的环境控制箱，将预固化聚合物薄膜置于半导体致冷器冷面上，通过半导体致冷器实现聚合物温度调节，使聚合物温度低于环境温度，从而空气中的蒸气在聚合物表面凝结成核；

D、经过一定的凝结时间，液滴在聚合物表面自组装成均匀分布的液滴，由于表面张力作用，液滴部分进入聚合物内部；

E、通过紫外灯照射实现聚合物的完全固化和液滴的蒸发，从而在聚合物薄膜表面得到与液滴一一对应的微结构；

F、将聚合物薄膜从基板表面剥离下来，得到表面具有微结构的聚合物薄膜。

步骤A中的所述聚合物为紫外固化胶。

进一步地，步骤A中的所述将聚合物放置在基板表面的方法包括旋涂法和点涂法，对应在基板表面得到的聚合物薄膜分别为厚度均匀分布的平面薄膜和曲面薄膜。

进一步地，步骤B中的所述聚合物的预固化能量为0~6J/cm²，预固化时间为1~30min。