一种聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法技术

本发明专利技术涉及一种聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法，步骤为：将聚合物材料从放卷装置传送至预热辊，预热至贴合温度，并与基带热压贴合；将贴合在基带上的聚合物材料传送至模具辊和压力辊之间，聚合物材料经预先加热的模具辊加热至压印温度，然后再通过压力辊作用填充模腔；充型的同时开启超声振动组件，超声振动辅助完成卷对卷热辊压印过程；聚合物材料从模具辊和压力辊之间传出后，冷却并从模具辊中分离开来；脱模完成后，继续冷却聚合物产品，实现聚合物产品与基带的分离，最后收卷。本发明专利技术利用超声振动改进卷对卷热辊压印成型工艺，加速了充型过程，提高了复制精度，减小脱模力及脱模变形，是一种工艺先进的压印成型方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种卷对卷热辊压印加工方法，尤其涉及聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法。
技术介绍
表面加工有微纳米结构的聚合物基材在光学薄膜、柔性电子、生物芯片等领域有着广泛的应用。采用卷对卷热辊压印技术，可在聚合物基材表面实现微纳米结构的大面积、高效率、低成本和高精度的成形。卷对卷热辊压印成形技术通过将卷对卷的生产方式和传统的平板热压印成形工艺相结合，使待压印的热塑性聚合物基材在模具辊和支撑辊之间连续辊过的同时升温软化并在压力作用下充填模腔，从而实现大面积微纳米结构的连续成形，并显著提高产品生产效率。常见的热塑性聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、聚氯乙烯PVC等，在玻璃化温度甚至粘流温度以上时仍具有较高的粘度，要实现完全的充型需要较长的时间。高弹态下聚合物材料的形变回复显著，通常需要足够的保压时间，才能使得应力松弛过程在压印阶段完成，从而达到减小成形后回弹的目的。此外，在微纳米尺度下，材料与模具界面间的粘附对充型的阻碍作用不可忽略，使材料的充型流动变得更加困难，同时，材料与模具间的粘附还将成为脱模过程中的阻力，易造成脱模缺陷。在卷对卷热辊压印成形中，要提高聚合物材料的流动性能、增加充型时间、减小回弹、保证微纳米结构的复制精度，则需要提高辊压温度和降低辊压速度。而为了避免高温下脱模的困难以及聚合物基材在辊压过程中发生严重减薄和变形，通常不得不降低辊压速度。较低的辊压速度成为限制卷对卷直接热辊压印技术发展的原因之一。面对大面积聚合物表面微纳米结构加工需求的快速增长，提高辊压速度及复制精度成为进一步推进卷对卷热辊压印技术工业化应用的关键。中国专利201210292620.8公开了一种基于卷对卷热辊压聚合物薄膜表面微结构加工装置及方法，包括：放卷，预热，热辊压，保形，冷却及收卷六个阶段。放卷阶段是将聚合物薄膜从卷材中连续抽出，除去薄膜表面静电。聚合物薄膜经过预热阶段后，加热至其玻璃转变温度以下，为热辊压阶段准备。通过对版辊进行局部加热处理，仅压印表面升温至玻璃转变温度以上，对预热后的薄膜辊压成形。保形阶段使辊压成形后的薄膜仍与版辊表面紧密贴合，使其充分变形。将冷却与保形同时作用于成形后的薄膜，使表面微细结构迅速固化，减少回弹。与现有技术相比，该专利技术具有减少回弹变形，脱模容易，但该专利技术的辊压速度及复制精度比较低，不利于大规模高效生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有卷对卷热辊压印工艺中存在的不足，提供一种超声振动辅助的微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法及装置，利用超声振动改进卷对卷热辊压印成型工艺：加速充型过程、提高复制精度、促进排气、减小脱模力及脱模变形。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法，该方法包括以下步骤：(1)放卷预热：将聚合物材料从放卷装置传送至预热辊，聚合物材料预热至贴合温度，同时通过预热辊施加压力与基带热压贴合；(2)充型：将贴合在基带上的聚合物材料传送至模具辊和压力辊之间，聚合物材料经预先加热的模具辊加热至压印温度，然后再通过压力辊作用填充模腔，同时开启超声振动组件，超声振动辅助完成充型过程；(3)脱模：聚合物材料从模具辊和压力辊之间传出后，冷却并从模具辊中分离开来，超声振动辅助完成脱模过程；(4)收卷：脱模完成后，继续冷却聚合物产品，实现聚合物产品与基带的分离，最后收卷，完成卷对卷热辊压印成型过程。所述的聚合物材料为热塑性聚合物卷材或片材，厚度为50-500μm。步骤(1)所述的贴合温度范围为聚合物材料玻璃化温度以上10℃至粘流温度以下10℃。步骤(2)所述的压印温度范围为聚合物材料粘流温度以下10℃至以上50℃。所述的超声振动施加在模具辊和压力辊组成的对辊中的从动辊上，该超声振动依次传递至压力辊支承、压力辊、基带和聚合物材料，并作用于整个充型与脱模过程。所述的超声振动的振动频率为20～40kHz，振动幅值为5～50μm，利用20kHz以上的超声振动引发聚合物材料粘弹性产热，加速聚合物材料的升温熔融，同时利用高频的超声振动促进模腔内气体的排出、并减小充型及脱模过程中材料与模具间的粘附阻力，通过调节振动频率和振动幅值可适应不同聚合物基材及不同微纳米结构的压印加工。所述的基带为具有柔性的金属带材、耐高温聚合物带材或由纤维增强材料与韧性聚合物组成的柔性复合材料。这些带材表面光滑且与被加工聚合物材料间表现出常温下弱粘附、高温下强粘附的特点。一种所述的卷对卷热辊压印成型方法的装置，包括压力辊支承、压力辊和模具辊，还包括至少一个超声振动组件，所述的超声振动组件与压力辊支承连接。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、将聚合物材料预热至玻璃化温度以上后，利用超声振动引发的粘弹性生热辅助聚合物材料的熔融，使其表观粘度迅速降低，加速聚合物材料的充型流动，从而可以提高辊压速度；2、在聚合物材料充型的过程中，由于超声振动的作用，聚合物材料与模腔壁面间有高频振动的相对位移发生，这既有利于促进模腔内残留气体的排出，又有利于减小材料与模具之间的粘附力，减小充型及脱模过程中受到的阻力，从而辅助材料的充型及脱模；3、利用高温下基带对聚合物材料较强的粘附作用减少聚合物材料整体的热变形，同时，在卷对卷的传送过程中，基带可作为基底支撑着被加热至粘流态附近的聚合物材料，使得卷对卷直接热辊压印工艺中的充型过程可以在较高温度下进行，增强卷对卷直接热辊压印成形的工艺适应性；4、冷却过程中，利用低温时基带对聚合物材料粘附作用的减弱实现成形后聚合物产品与基带的分离。本专利技术利用超声振动改进卷对卷热辊压印成型工艺，加速了充型过程，提高了复制精度，减小脱模力及脱模变形，是一种工艺先进的压印成型方法。附图说明图1为本专利技术实施例1的装置示意图；图2为图1变换超声振动组件的装置示意图；图3为本专利技术实施例2的装置示意图；图中：1-放卷辊，2-聚合物材料，3-预热辊，4-模具辊，5-压力辊，6-第一基带传送轮，7-第二基带传送轮，8-基带，9-压力辊支承，10-超声振动组件，11-辊压力施加装置，12-冷却装置，13-聚合物薄膜产品，14-收卷辊，15-PVC层，16-PET层，17-红外加热装置，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ-超声振动辊。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1本实施例中，所用的聚合物材料为单层材料，选用热塑性聚合物PC(聚碳酸酯)，采用的装置其示意图如图1所示，其中放卷辊1、预热辊3、模具辊4、第二基带传送轮7和收卷辊14的转动由电机驱动，它们作为卷对卷传送中的主动辊，第二基带传送轮7的转动带动基带8的传输运动和第一基带传送轮6的转动，压力辊5的转动由模具辊4和基带8的运动共同带动；与预热辊3相连的液压缸可推动预热辊3压向第一基带传送轮6，与压力辊5相连的液压缸可推动压力辊5压向模具辊4。辊压开始前，将预热辊3表面的温度加热至PC的玻璃化转变温度以上，本实施例中PC的玻璃化转变温度为150℃、粘流温度230℃，预热辊3表面的温度加热至180℃，此外，使模具辊4表面的温度加热至PC的粘流温度附近，本实施例中设为220℃。辊压开始后，厚度为200μm的PC薄膜2从放卷辊1传出，进入预热辊3和第一基带传送轮6之间，预热辊3在液压缸压力作用下压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)放卷预热：将聚合物材料从放卷装置传送至预热辊，聚合物材料预热至贴合温度，同时通过预热辊施加压力与基带热压贴合；(2)充型：将贴合在基带上的聚合物材料传送至模具辊和压力辊之间，聚合物材料经预先加热的模具辊加热至压印温度，然后再通过压力辊作用填充模腔，同时开启超声振动组件，超声振动辅助完成充型过程；(3)脱模：聚合物材料从模具辊和压力辊之间传出后，冷却并从模具辊中分离开来，超声振动辅助完成脱模过程；(4)收卷：脱模完成后，继续冷却聚合物产品，实现聚合物产品与基带的分离，最后收卷，完成卷对卷热辊压印成型过程。

【技术特征摘要】
1.一种聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)放卷预热：将聚合物材料从放卷装置传送至预热辊，聚合物材料预热至贴合温度，同时通过预热辊施加压力与基带热压贴合；(2)充型：将贴合在基带上的聚合物材料传送至模具辊和压力辊之间，聚合物材料经预先加热的模具辊加热至压印温度，然后再通过压力辊作用填充模腔，同时开启超声振动组件，超声振动辅助完成充型过程；(3)脱模：聚合物材料从模具辊和压力辊之间传出后，冷却并从模具辊中分离开来，超声振动辅助完成脱模过程；(4)收卷：脱模完成后，继续冷却聚合物产品，实现聚合物产品与基带的分离，最后收卷，完成卷对卷热辊压印成型过程。2.根据权利要求1所述的一种聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成型方法，其特征在于，超声振动施加在模具辊和压力辊组成的对辊中的从动辊上，该超声振动依次传递至压力辊支承、压力辊、基带和聚合物材料，并作用于整个充型与脱模过程。3.根据权利要求2所述的一种聚合物表面微纳米结构卷对卷热辊压印成...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭林法，王晋，邓宇君，易培云，来新民，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31