一种基于主动制冷液滴凝结的表面微结构制备方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

进一步地，步骤c中的所述环境控制箱能够实现环境温度和湿度的控制，环境温度控制范围为15~85ºc，环境相对湿度控制范围为0~90%。

进一步地，步骤c中的所述环境控制箱中的蒸气氛围为水、甲醇或乙醇中的一种。

进一步地，步骤c中的所述半导体制冷器的制冷温度范围为-10~15ºc，液滴凝结时间为0~30min。

进一步地，步骤e中的所述的紫外固化能量为0~10j/cm²，固化时间为1~30min。

本发明通过主动制冷技术，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。本发明不仅通过选择不同的聚合物材料、预固化度和蒸气氛围来改变液滴与聚合物的相互作用界面从而实现微结构形貌的调节，而且通过改变不同的半导体致冷器制冷功率和液滴凝结时间来实现表面微结构尺寸和周期分布的调控。

本发明所提出的以上技术方案与现有技术相比，特点是：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。因此，本发明具有工艺简单、成本低、微结构尺寸和形貌灵活可控和绿色环保的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图；

图2为本发明实施例的不同制冷功率的表面微结构sem图；

图3为本发明实施例的不同凝结时间的表面微结构sem图；

图4为本发明实施例的表面微结构截面sem图。

具体实施方式

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实施例1：

一种基于主动制冷液滴凝结的表面微结构制备方法，包括以下步骤：

1、准备基板1，采用旋涂法将紫外固化胶norland61旋涂在基板1表面，在基板1上得到厚度均匀分布的聚合物薄膜2；

2、聚合物薄膜2置于紫外灯3下面，通过紫外照射实现聚合物的预固化，其中紫外灯3照射能量为2j/cm²，预固化时间为10min；

3、准备具有水蒸气氛围的恒温恒湿的环境控制箱5，将预固化聚合物薄膜2置于半导体致冷器4的冷面8上，通过半导体致冷器4实现聚合物2的温度调节，使聚合物温度2低于环境温度，从而空气中的水蒸气6在聚合物2表面凝结成核为水滴7；其中，环境温度控制为15ºc，环境相对湿度控制为75%，半导体制冷器4制冷温度为0ºc；

4、经过一定的凝结时间，水滴7在聚合物表面自组装成均匀分布的水滴9，由于表面张力作用，水滴9部分进入聚合物2内部，其中，水滴凝结时间为2min；

5、通过紫外灯10照射实现聚合物2的完全固化和水滴9的蒸发，从而在聚合物表面得到微结构，其中：紫外照射能量为4j/cm²，固化时间为10min；

6、将聚合物从基板表面剥离下来，得到表面具有微结构的聚合物薄膜11。

实施例2：

一种基于主动制冷液滴凝结的表面微结构制备方法，包括以下步骤：

1、准备基板1，采用旋涂法将紫外固化胶aaloctlte4305旋涂在基板1表面，在基板1上得到厚度均匀分布的聚合物薄膜2；

2、聚合物薄膜2置于紫外灯3下面，通过紫外照射实现聚合物的预固化，其中紫外灯3照射能量为1j/cm²，预固化时间为30min；

3、准备具有乙醇蒸气氛围的恒温恒湿的环境控制箱5，将预固化聚合物薄膜2置于半导体致冷器4的冷面8上，通过半导体致冷器4实现聚合物2的温度调节，使聚合物温度2低于环境温度，从而空气中的乙醇蒸气6在聚合物2表面凝结成核为液滴7；其中，环境温度控制为20ºc，环境相对湿度控制为60%，半导体制冷器4制冷温度为-10ºc；

4、经过一定的凝结时间，液滴7在聚合物表面自组装成均匀分布的液滴9，由于表面张力作用，液滴9部分进入聚合物2内部，其中，液滴凝结时间为10min；

5、通过紫外灯10照射实现聚合物2的完全固化和液滴9的蒸发，从而在聚合物表面得到微结构，其中：紫外照射能量为7j/cm²，固化时间为30min；

6、将聚合物从基板表面剥离下来，得到表面具有微结构的聚合物薄膜11。

实施例3：

一种基于主动制冷液滴凝结的表面微结构制备方法，包括以下步骤：

1、准备基板1，采用点涂法将紫外固化胶masterbonduv16点涂在基板1表面，在基板1上得到曲面分布的聚合物薄膜2；

2、聚合物薄膜2置于紫外灯3下面，通过紫外照射实现聚合物的预固化，其中紫外灯3照射能量为6j/cm²，预固化时间为1min；

3、准备具有甲醇蒸气氛围的恒温恒湿的环境控制箱5，将预固化聚合物薄膜2置于半导体致冷器4的冷面8上，通过半导体致冷器4实现聚合物2的温度调节，使聚合物温度2低于环境温度，从而空气中的甲醇蒸气6在聚合物2表面凝结成核为液滴7；其中，环境温度控制为35ºc，环境相对湿度控制为90%，半导体制冷器4制冷温度为5ºc；

4、经过一定的凝结时间，液滴7在聚合物表面自组装成均匀分布的液滴9，由于表面张力作用，液滴9部分进入聚合物2内部，其中，液滴凝结时间为20min；

5、通过紫外灯10照射实现聚合物2的完全固化和液滴9的蒸发，从而在聚合物表面得到微结构，其中：紫外照射能量为10j/cm²，固化时间为1min；

6、将聚合物从基板表面剥离下来，得到表面具有微结构的聚合物薄膜11。

实施例4：

一种基于主动制冷液滴凝结的表面微结构制备方法，包括以下步骤：

1、准备基板1，采用旋涂法将紫外固化胶norland61旋涂在基板1表面，在基板1上得到厚度均匀分布的聚合物薄膜2；

2、聚合物薄膜2置于紫外灯3下面，通过紫外照射实现聚合物的预固化，其中紫外灯3照射能量为4j/cm²，预固化时间为20min；

3、准备具有水蒸气氛围的恒温恒湿的环境控制箱5，将预固化聚合物薄膜2置于半导体致冷器4的冷面8上，通过半导体致冷器4实现聚合物2的温度调节，使聚合物温度2低于环境温度，从而空气中的水蒸气6在聚合物2表面凝结成核为水滴7；其中，环境温度控制为85ºc，环境相对湿度控制为10%，半导体制冷器4制冷温度为15ºc；

4、经过一定的凝结时间，水滴7在聚合物表面自组装成均匀分布的水滴9，由于表面张力作用，水滴9部分进入聚合物2内部，其中，水滴凝结时间为30min；

5、通过紫外灯10照射实现聚合物2的完全固化和水滴9的蒸发，从而在聚合物表面得到微结构，其中：紫外照射能量为1j/cm²，固化时间为25min；

6、将聚合物从基板表面剥离下来，得到表面具有微结构的聚合物薄膜11。

图2所示为tec制冷电流分别为0.5a~0.9a情况下得到的表面微结构sem图，图3所示为水滴凝结时间分别为2min~6min时得到的表面微结构sem图，图4所示为对应凝结时间为5min情况下表面微结构截面sem图。