一种微孔内材料固液换流装置及方法，(1)制备所需二维的光刻微沟道模具、三维结构的可溶性树脂模具或PDMS模具；(2)使用模具完成微孔结构的成型；(3)定性分析二维、三维模具表面属性及使用的溶解液属性，进行界面及环境调控，PDMS模具不需要调控；(4)将模具置于强制对流装置内；(5)启动强制对流装置，待过滤室内溶液中可溶性材料浓度下降至设置阈值时停止工作，完成微孔内的固液换流。根据微孔内固液界面属性、固液换流环境进行调控，设计一套高效率的强制对流装置，以解决微孔结构内材料溶解困难、典型微纳加工结构件溶解质量受结构开敞性与溶解面制约、三维微孔结构中的可溶性光敏树脂溶解效率低、溶解速率慢等问题。溶解速率慢等问题。溶解速率慢等问题。
【技术实现步骤摘要】
一种微孔内材料固液换流装置及方法
[0001]本专利技术适用于微纳制造技术和微纳加工工艺领域，特别涉及一种微孔内材料固液换流装置及方法，具体为通过界面调控、环境调控及强制对流的工艺对微孔内材料进行固液换流，同时提供一种能够实现强制固液换流的装置，以实现微孔内材料的高效率、高质量固液换流。
技术介绍
[0002]近年来，随着微纳制造工艺的蓬勃发展，微型结构化器件的成型方法逐渐多元化，例如面曝光立体微光刻等技术不但促成了微型器件的结构可设计化也进一步提高了结构化器件的成型精度。但由于此类技术对材料及加工环境的要求过高导致绝大部分材料依然无法高精度结构化成型，因而翻模成型工艺在微尺度方向得到了较大的拓展和应用。
[0003]翻模成型优势明显，它能大大拓展了材料的选择范围并且可以一体化成型，制得的构件较正向加工工艺缺陷少，质量大幅提升，另外，它还具有加工效率高，经济性好等特点。应用在微纳加工领域的翻模成型工艺依然存在着其传统情况下的问题，如在灌注过程中的气压作用导致液态材料无法顺利灌入微孔状模具等。因而在微纳领域的翻模加工方面，微孔灌注、微孔填充技术一直以来都是影响加工质量的重要因素。在器件翻模过程中，微孔内材料的灌注质量与灌注效率直接决定了成型结构是否带有缺陷及成型成本。例如，在灌注过程中若存在空气或者其他杂质的混入，成型结构将出现明显的缩松或断裂，严重影响成型质量。基于此，电子科技大学的Wei He等人采用多物理耦合技术研究了高密度互连印刷电路板制造中的微孔填充工艺，采用SPS(双(钠
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硫丙基)
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二硫化物)、EO/PO(环氧乙烷和环氧丙烯嵌段共聚物)和pepi(聚乙烯氧化物
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聚酰亚胺)进行微孔填充，但其材料可选择性差依旧是制约其进一步发展的重要因素。斯坦福大学的Clementine M等人通过光刻刻蚀技术，在PU基质中构建所需图案的沟道，并嵌入导电碳纳米管构成电极，由此制得了一种柔性电子皮肤。但PU基质溶解成本高、速度慢等问题极大地影响了此类柔性电子皮肤的发展；北京大学的Yu Song等人将PDMS复合材料通过真空泵输送及毛细管力渗透，灌注至糖方的多孔结构中，并将方糖于热水中溶解，制备而得多孔的PDMS海绵，但在方糖溶解过程中存在灌注精度低，溶解速率慢等问题；除了随机三维结构中可溶性材料溶解的问题，加州大学的Kanguk Kim等人使用BTO等材料直接数字立体光刻成型三维结构，但由于BTO对紫外光的吸收导致掺杂BTO的光敏材料立体光刻精度不高，效率低下，因而选择成型包含BTO结构的反结构模具，再通过翻模的方式得到所需结构，但结构化的可溶性树脂模具在微孔型腔内与溶解液接触面小、溶解速率低、难以完全溶解等问题一直制约着这一方法的发展。总而言之，微孔结构内固液材料的换流方法依然存在着溶解成本高、溶解速率慢、溶解不完全、可溶性材料与溶解液无法充分接触等缺陷与不足，这导致微孔结构的成型质量难以保证，成本也较为昂贵，有待进一本优化改进。
技术实现思路
[0004]为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种微孔内材料固液换流装置及方法，根据微孔内固液界面属性、固液换流环境进行调控，设计一套高效率的强制对流装置，解决微孔结构内材料溶解困难、典型微纳加工结构件溶解质量受结构开敞性与溶解面制约、三维微孔结构中的可溶性光敏树脂溶解效率低、溶解速率慢等问题，提高基于翻模制造方法的微柱结构的质量，降低其成型成本。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供的具体方案为：
[0006]一种微孔内材料固液换流装置，包括外壳1，外壳1内一侧固定有工作室2，工作室2内部包含三个工作空间，分别为A工作空间3、B工作空间5和C工作空间7，三者通过镂空的工作空间隔板6隔开，工作空间隔板6上根据需求安装固定夹4；外壳1内另一侧上方设置有与工作室2相连通的过滤室11，过滤室11内设置水位传感器10，以及其底部设置滤纸层12；过滤室11下方空间设置有水泵14，水泵14出水口与工作室2进水口相连通。
[0007]基于上述一种微孔内材料固液换流装置的固液换流方法，包括以下步骤：
[0008](1)利用3D打印技术、立体光刻技术制备所需的二维光刻微沟道模具、三维结构的可溶性树脂模具或PDMS模具，并做相应后处理；
[0009](2)将步骤(1)制备的模具用待成型的液态不溶性材料包覆，待不溶性材料凝固，完成微孔结构的成型；
[0010](3)根据可溶的二维、三维模具表面属性和预计使用的溶解液的属性，以及相互作用的关系进行界面及环境调控，PDMS模具不需要调控；
[0011](4)将步骤(3)完成界面及环境调控的模具置于换流装置内夹紧；
[0012](5)启动换流装置，待过滤室内溶液中可溶性材料浓度下降至设置阈值时停止工作，完成微孔内的固液换流。
[0013]所述的二维光刻微沟道模具为使用商用AZ4620光刻胶经光刻、显影得到的光刻微沟道模具。
[0014]所述的三维结构的可溶性树脂模具的材料为可溶性光敏树脂，其材料配制包括，按重量分数计：选择共聚单体N，N
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二甲基丙烯酰胺或丙烯酰胺40
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60份，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯或丙烯酸钠40
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60份，交联裂解剂甲基丙烯酸酐或N，N
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亚甲基双丙烯酰胺40
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50份，在40
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60℃的油浴加热下混合，然后分别加入填充物90
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120份、光引发剂10
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20份分散均匀；填充物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或甲基纤维素；光引发剂包括酰基膦氧化物或双苯甲酰基苯基氧化膦。
[0015]所述的后处理为可溶性树脂模具内部未固化树脂的清除以及后续的紫外光过曝，以达到所设计的树脂模具的完全固化成型。
[0016]所述的液态不溶性材料包括但不限于以下之一：石蜡、PDMS、硅橡胶、环氧树脂。
[0017]所述的溶解液包括但不限于以下之一：1
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5mol/L的NaOH溶液、1
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5mol/L的KOH溶液、1
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10mol/L的HCL溶液、1
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3mol/L的H2SO4溶液、DMF或丁胺有机溶剂。
[0018]所述的界面调控是针对选取的溶解液浓度、粘度，以及可溶性材料表面光洁度、亲疏水性的属性进行调控，及对二者相互作用关系的平衡；选用溶解液若为无机溶液，需根据微孔结构基体的材料调整其浓度，使其接触角尽量小，使溶解液更容易进入微孔结构，与可溶性模具进行接触；选用溶解液若为有机溶液，则需根据微孔结构基体的材料选用使接触
角尽量小的有机溶液，同样使溶解液更容易进入微孔结构，与可溶性模具进行接触。
[0019]所述的环境调控是针对选定溶解液的最佳工作环境选择，所选溶解液若为易挥发溶液，应选用高压低温环境，以减少其挥发，提高其利用率；所选溶解液若为高熔点有机溶液，应选用本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种微孔内材料固液换流装置，包括装置外壳(1)，其特征在于，装置外壳(1)通过固定卡爪(8)固定有工作室(2)，工作室(2)内部包含三个工作空间，分别为A工作空间(3)、B工作空间(5)和C工作空间(7)，三者通过镂空的工作空间隔板(6)隔开，工作空间隔板(6)上根据需求安装固定夹(4)；装置外壳(1)内另一侧上方设置有与工作室(2)相连通的过滤室(11)，过滤室(11)内设置水位传感器(10)，以及其底部设置滤纸层(12)；过滤室(11)下方空间设置有水泵(14)，水泵(14)出水口与工作室(2)进水口相连通。2.基于权利要求所述的一种微孔内材料固液换流装置的固液换流方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用3D打印技术、立体光刻技术制备所需二维的光刻微沟道模具、三维结构的可溶性树脂模具或PDMS模具，并做相应后处理；(2)将成型的模具用待成型的液态不溶性材料包覆，待不溶性材料凝固，完成微孔结构的成型；(3)根据可溶的二维、三维模具表面属性和预计使用的溶解液的属性，以及相互作用的关系进行界面及环境调控，PDMS模具不需要调控；(4)将完成界面及环境调控的模具置于换流装置内，夹紧，准备强制固液换流；(5)启动换流装置，待过滤室内溶液中可溶性材料浓度下降至设置阈值时停止工作，完成微孔内的固液换流。3.根据权利要求2所述的一种微孔内材料固液换流方法，其特征在于，所述的二维光刻微沟道模具为使用商用AZ4620光刻胶经光刻、显影得到的光刻微沟道模具；所述的三维结构的可溶性树脂模具为可溶性光敏树脂，其材料配制包括，按重量分数计：选择共聚单体N，N
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二甲基丙烯酰胺或丙烯酰胺40
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60份，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯或丙烯酸钠40
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60份，交联裂解剂甲基丙烯酸酐或N，N
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亚甲基双丙烯酰胺40
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50份在40
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60℃的油浴加热下混合，然后分别加入填充物90
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120份、光引发剂10
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20份分散均匀；填充物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或甲基纤维素；光引发剂包括酰基膦氧化物或双苯甲酰基苯基氧化膦。4.根据权利要求2所述的一种微孔内材料固液换流方法，其特征在于，所述的后处理为可溶性树脂模具内部未固化树脂的清除以及后续的紫外...
【专利技术属性】
技术研发人员：牛万灏，陈小明，王春江，王硕邦，邵金友，徐超凡，李祥明，陈小亮，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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