一種聚合物表面微納米結構卷對卷熱輥壓印成型方法與流程

2023-10-06 21:38:59 1

本發明涉及一種卷對卷熱輥壓印加工方法，尤其涉及聚合物表面微納米結構卷對卷熱輥壓印成型方法。

背景技術：

表面加工有微納米結構的聚合物基材在光學薄膜、柔性電子、生物晶片等領域有著廣泛的應用。採用卷對卷熱輥壓印技術，可在聚合物基材表面實現微納米結構的大面積、高效率、低成本和高精度的成形。卷對卷熱輥壓印成形技術通過將卷對卷的生產方式和傳統的平板熱壓印成形工藝相結合，使待壓印的熱塑性聚合物基材在模具輥和支撐輥之間連續輥過的同時升溫軟化並在壓力作用下充填模腔，從而實現大面積微納米結構的連續成形，並顯著提高產品生產效率。

常見的熱塑性聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、聚氯乙烯PVC等，在玻璃化溫度甚至粘流溫度以上時仍具有較高的粘度，要實現完全的充型需要較長的時間。高彈態下聚合物材料的形變回復顯著，通常需要足夠的保壓時間，才能使得應力鬆弛過程在壓印階段完成，從而達到減小成形後回彈的目的。此外，在微納米尺度下，材料與模具界面間的粘附對充型的阻礙作用不可忽略，使材料的充型流動變得更加困難，同時，材料與模具間的粘附還將成為脫模過程中的阻力，易造成脫模缺陷。在卷對卷熱輥壓印成形中，要提高聚合物材料的流動性能、增加充型時間、減小回彈、保證微納米結構的複製精度，則需要提高輥壓溫度和降低輥壓速度。而為了避免高溫下脫模的困難以及聚合物基材在輥壓過程中發生嚴重減薄和變形，通常不得不降低輥壓速度。

較低的輥壓速度成為限制卷對卷直接熱輥壓印技術發展的原因之一。面對大面積聚合物表面微納米結構加工需求的快速增長，提高輥壓速度及複製精度成為進一步推進卷對卷熱輥壓印技術工業化應用的關鍵。

中國專利201210292620.8公開了一種基於卷對卷熱輥壓聚合物薄膜表面微結構加工裝置及方法，包括：放卷，預熱，熱輥壓，保形，冷卻及收卷六個階段。放卷階段是將聚合物薄膜從卷材中連續抽出，除去薄膜表面靜電。聚合物薄膜經過預熱階段後，加熱至其玻璃轉變溫度以下，為熱輥壓階段準備。通過對版輥進行局部加熱處理，僅壓印表面升溫至玻璃轉變溫度以上，對預熱後的薄膜輥壓成形。保形階段使輥壓成形後的薄膜仍與版輥表面緊密貼合，使其充分變形。將冷卻與保形同時作用於成形後的薄膜，使表面微細結構迅速固化，減少回彈。與現有技術相比，該發明具有減少回彈變形，脫模容易，但該發明的輥壓速度及複製精度比較低，不利於大規模高效生產。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有卷對卷熱輥壓印工藝中存在的不足，提供一種超聲振動輔助的微納米結構卷對卷熱輥壓印成型方法及裝置，利用超聲振動改進卷對卷熱輥壓印成型工藝：加速充型過程、提高複製精度、促進排氣、減小脫模力及脫模變形。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種聚合物表面微納米結構卷對卷熱輥壓印成型方法，該方法包括以下步驟：

(1)放卷預熱：將聚合物材料從放卷裝置傳送至預熱輥，聚合物材料預熱至貼合溫度，同時通過預熱輥施加壓力與基帶熱壓貼合；

(2)充型：將貼合在基帶上的聚合物材料傳送至模具輥和壓力輥之間，聚合物材料經預先加熱的模具輥加熱至壓印溫度，然後再通過壓力輥作用填充模腔，同時開啟超聲振動組件，超聲振動輔助完成充型過程；

(3)脫模：聚合物材料從模具輥和壓力輥之間傳出後，冷卻並從模具輥中分離開來，超聲振動輔助完成脫模過程；

(4)收卷：脫模完成後，繼續冷卻聚合物產品，實現聚合物產品與基帶的分離，最後收卷，完成卷對卷熱輥壓印成型過程。

所述的聚合物材料為熱塑性聚合物卷材或片材，厚度為50-500μm。

步驟(1)所述的貼合溫度範圍為聚合物材料玻璃化溫度以上10℃至粘流溫度以下10℃。

步驟(2)所述的壓印溫度範圍為聚合物材料粘流溫度以下10℃至以上50℃。

所述的超聲振動施加在模具輥和壓力輥組成的對輥中的從動輥上，該超聲振動依次傳遞至壓力輥支承、壓力輥、基帶和聚合物材料，並作用於整個充型與脫模過程。

所述的超聲振動的振動頻率為20～40kHz，振動幅值為5～50μm，利用20kHz以上的超聲振動引發聚合物材料粘彈性產熱，加速聚合物材料的升溫熔融，同時利用高頻的超聲振動促進模腔內氣體的排出、並減小充型及脫模過程中材料與模具間的粘附阻力，通過調節振動頻率和振動幅值可適應不同聚合物基材及不同微納米結構的壓印加工。

所述的基帶為具有柔性的金屬帶材、耐高溫聚合物帶材或由纖維增強材料與韌性聚合物組成的柔性複合材料。這些帶材表面光滑且與被加工聚合物材料間表現出常溫下弱粘附、高溫下強粘附的特點。

一種所述的卷對卷熱輥壓印成型方法的裝置，包括壓力輥支承、壓力輥和模具輥，還包括至少一個超聲振動組件，所述的超聲振動組件與壓力輥支承連接。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1、將聚合物材料預熱至玻璃化溫度以上後，利用超聲振動引發的粘彈性生熱輔助聚合物材料的熔融，使其表觀粘度迅速降低，加速聚合物材料的充型流動，從而可以提高輥壓速度；

2、在聚合物材料充型的過程中，由於超聲振動的作用，聚合物材料與模腔壁面間有高頻振動的相對位移發生，這既有利於促進模腔內殘留氣體的排出，又有利於減小材料與模具之間的粘附力，減小充型及脫模過程中受到的阻力，從而輔助材料的充型及脫模；

3、利用高溫下基帶對聚合物材料較強的粘附作用減少聚合物材料整體的熱變形，同時，在卷對卷的傳送過程中，基帶可作為基底支撐著被加熱至粘流態附近的聚合物材料，使得卷對卷直接熱輥壓印工藝中的充型過程可以在較高溫度下進行，增強卷對卷直接熱輥壓印成形的工藝適應性；

4、冷卻過程中，利用低溫時基帶對聚合物材料粘附作用的減弱實現成形後聚合物產品與基帶的分離。

本發明利用超聲振動改進卷對卷熱輥壓印成型工藝，加速了充型過程，提高了複製精度，減小脫模力及脫模變形，是一種工藝先進的壓印成型方法。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的裝置示意圖；

圖2為圖1變換超聲振動組件的裝置示意圖；

圖3為本發明實施例2的裝置示意圖；

圖中：1-放卷輥，2-聚合物材料，3-預熱輥，4-模具輥，5-壓力輥，6-第一基帶傳送輪，7-第二基帶傳送輪，8-基帶，9-壓力輥支承，10-超聲振動組件，11-輥壓力施加裝置，12-冷卻裝置，13-聚合物薄膜產品，14-收卷輥，15-PVC層，16-PET層，17-紅外加熱裝置，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ-超聲振動輥。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

本實施例中，所用的聚合物材料為單層材料，選用熱塑性聚合物PC(聚碳酸酯)，採用的裝置其示意圖如圖1所示，其中放卷輥1、預熱輥3、模具輥4、第二基帶傳送輪7和收卷輥14的轉動由電機驅動，它們作為卷對卷傳送中的主動輥，第二基帶傳送輪7的轉動帶動基帶8的傳輸運動和第一基帶傳送輪6的轉動，壓力輥5的轉動由模具輥4和基帶8的運動共同帶動；與預熱輥3相連的液壓缸可推動預熱輥3壓向第一基帶傳送輪6，與壓力輥5相連的液壓缸可推動壓力輥5壓向模具輥4。

輥壓開始前，將預熱輥3表面的溫度加熱至PC的玻璃化轉變溫度以上，本實施例中PC的玻璃化轉變溫度為150℃、粘流溫度230℃，預熱輥3表面的溫度加熱至180℃，此外，使模具輥4表面的溫度加熱至PC的粘流溫度附近，本實施例中設為220℃。

輥壓開始後，厚度為200μm的PC薄膜2從放卷輥1傳出，進入預熱輥3和第一基帶傳送輪6之間，預熱輥3在液壓缸壓力作用下壓向帶輪6，使PC薄膜2與基帶8貼合，基帶採用具有一定柔性的不鏽鋼薄板製備，在180℃下熱壓可使PC薄膜2與不鏽鋼基帶8之間實現穩固的粘附，同時完成對PC薄膜2的預熱，使其從玻璃態轉變為粘彈態。

上述預熱與貼合過程完成後，PC薄膜2和基帶8被傳送進入模具輥4和壓力輥5之間，輥壓力施加裝置11在液壓缸的作用下推動壓力輥支承9向模具輥4方向滑動，使得壓力輥5壓向模具輥4，同時，超聲振動組件10在輥壓力的施加方向上作機械振動，振動頻率為30kHz，振動幅值為5μm，引發壓力輥5在相應方向上作相同頻率和幅值的機械振動。

PC薄膜2與220℃下的模具輥4接觸後開始升溫熔融，並在壓力輥5的壓力作用下開始流動充型，同時，壓力輥的機械振動通過基帶8傳送至模具輥4和壓力輥5之間的PC材料，由於該部分PC材料已經被預熱至粘彈態，超聲波在其內部傳遞的過程中引發粘彈性生熱，加速PC材料的熔融和充型流動。

由於模具輥4固定在機架上，且熔融的PC材料與模具輥4之間的模量相差巨大，超聲振動組件10的振動並不能引發模具輥4作同步的機械振動，因此，已流入模腔內的PC材料和模腔壁面之間將產生高頻振動地相對運動，這一高頻振動地相對運動可顯著減小材料與模具之間的粘附力，並促進模腔內殘餘氣體的排出。

在超聲振動的輔助下，卷對卷熱輥壓印的充型過程快速完成，基帶8帶著表面成形有微納米結構的聚合物薄膜產品13從模具輥4和壓力輥5之間輥出，冷卻裝置12向聚合物薄膜產品13吹氣冷卻，由於超聲振動使材料與模具之間的粘附力顯著減小，脫模過程可在較快速度下順利完成，在冷氣作用下，首先是聚合物薄膜產品13表面的微納米結構迅速冷卻固化，隨後聚合物薄膜產品13的基底厚度部分也被冷卻下來，使其與基帶8之間的強粘附轉變為微弱的粘附，最後，在張緊力作用下，表面加工有微納米結構的聚合物薄膜產品13與基帶8順利分離，並由收卷輥14完成產品的收卷。

本實施例也可用圖2所示的裝置進行，圖2為超聲振動布置方式的變種，設有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個超聲振動輥，可有效增長壓印時間，提高輥壓成形效率。

實施例2

本實施例中，所用的聚合物材料為雙層材料，選用PET(聚對苯二甲酸乙二酯)和PVC(聚氯乙烯)組成的雙層材料。

採用的裝置其示意圖如圖3所示，其中放卷輥1、模具輥4和收卷輥13的轉動由電機驅動，作為卷對卷傳送中的主動輥，壓力輥的轉動由模具輥4的運動帶動，與壓力輥5相連的液壓缸可推動壓力輥5壓向模具輥4。

聚合物材料2由PVC層15(玻璃化轉變溫度81℃，粘流溫度160℃)和PET層16(玻璃化轉變溫度69℃，粘流溫度250℃)鍵合而成，其中PVC層15的厚度50μm，為微納米結構的成形層，PET層16的厚度150μm，為基底層。

輥壓開始後，厚度為200μm的聚合物材料2從放卷輥1傳出，其表面PVC層15首先被紅外加熱裝置17預熱至100℃。模具輥預先被加熱至155℃，預熱完成後聚合物材料2進入模具輥4和壓力輥5之間，輥壓力施加裝置11在液壓缸的作用下推動壓力輥支承9向模具輥4方向滑動，使得壓力輥5壓向模具輥4，同時，超聲振動組件10在輥壓力的施加方向上作機械振動，振動頻率為30kHz，振動幅值為5μm，引發壓力輥5在相應方向上作相同頻率和幅值的機械振動。

聚合物材料2上的PVC層15與155℃下的模具輥4接觸後開始升溫熔融，並在壓力輥5的壓力作用下開始流動充型，同時，壓力輥的機械振動傳送至模具輥4和壓力輥5之間的聚合物材料，由於該部分PVC材料層15已經被預熱至粘彈態，超聲波在其內部傳遞的過程中引發粘彈性生熱，加速PVC材料層15的熔融和充型流動，PET材料層16由於分子剛度高、粘彈性生熱少且粘流溫度遠高於PVC材料層，在整個卷對卷熱輥壓印過程中作為PVC材料層15的支撐基底。

由於模具輥4固定在機架上，且熔融的PVC材料層15與模具輥4之間的模量相差巨大，超聲振動組件10的振動並不能引發模具輥4作同步的機械振動，因此，已流入模腔內的PVC材料15和模腔壁面之間將產生高頻振動地相對運動，這一高頻振動地相對運動可顯著減小材料與模具之間的粘附力，並促進模腔內殘餘氣體的排出。

在超聲振動的輔助下，卷對卷熱輥壓印的充型過程快速完成，表面成形有微納米結構的聚合物薄膜產品13從模具輥4和壓力輥5之間輥出，冷卻裝置12向聚合物薄膜產品13吹氣冷卻，由於超聲振動使材料與模具之間的粘附力顯著減小，脫模過程可在較快速度下順利完成，在冷氣作用下，聚合物薄膜產品13表面的微納米結構迅速冷卻固化，隨後聚合物薄膜產品13的基底厚度部分也被冷卻下來，最後，由收卷輥14完成產品的收卷。