用于生产纳米结构的或平滑的聚合物制品的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术解决了现有技术的微米和纳米结构的工业用聚合物成型中的众多问题。高工具抛光要求、不能在任意自由形态（弯曲的）表面限定任意形貌结构、有限的耐久性和复制质量的问题，以及提供使表面官能化的便利方法。本发明专利技术通过配置陶瓷材料前体来解决这些问题，所述陶瓷材料前体可以被涂敷到常规聚合物成型工具上，通过机械接触（压印）被微米或纳米结构化，被固化成包含所需结构的硬质、耐久的陶瓷材料。因其-OH基的高表面密度，这种陶瓷材料为通过硅烷化学反应可官能化的。该装置随后可以用于常规聚合物成型方法中以制作纳米结构的聚合物复制品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生产纳米结构的或平滑的聚合物制品的方法和装置
技术介绍
在生物技术、医学和消费应用中，为作为功能或装饰表面或作为识别方法使用，需要将功能的结构，例如纳米结构，应用到制品的限定区。与整体宏观几何形状无关的生产这类制品的方法是可取的，尤其当这类制品以相对低的价格大批生产时，因为这些制品中许多必须是一次性产品或低成本的可再利用产品，例如玩具或包装材料。功能的微米或纳米结构的非限制性实例是自清洁表面、光学衍射光栅、全息照相、光子晶体、数字介质信息、生物功能诱导结构、3D细胞培养、立体可识别结构、影响亲水性的结构或不存在由表面粗糙度所致的随机结构，即纳米平滑的表面。如今，注射成型的纳米结构的材料在⑶/DVD/Blu-Ray产业中，尽管仅在宏观平坦型中，广泛地用于信息存储。另外，注射成型母模的耐久性限于10，000-100，000次重复，其中复制品质量从首个复制品至最末复制品因母模纳米结构的磨损而缓慢下降。通常通过LIGA工艺制作母模结构，其中通过光刻法制作第一母模，并且通过第一母模的电铸成型制作第二倒模。随后使用第二母模作为注射嵌件。归因于所涉及的光刻法的精度要求，几何形状限于是平坦的并且母模材料限于可以通过电铸成型沉积的材料，最常见是镍、铜和钴。这些材料在注射成型方法中是易于磨损的和发生微小变形的延性材料，并且因此作为注射嵌件仅具备有限的耐久性。如今正在制造的其他的平面几何形状是由诸如热模压或纳米压印(NIL)技术制作的研究纳米结构。在这些技术中，高抛光和平坦的衬底(一般是硅或玻璃晶片)用待结构化的物质涂敷。待结构化的物质不仅一般是有机物质如光刻胶或电子束抗蚀剂，而且无机物质如氢硅倍半氧烷(HSQ)也已经通过电子束光刻和NIL被结构化。随后可以在液体聚合物中压印结构化的表面，随后所述液体聚合物可以通过将其冷却下来而固化(例如在热模压中使用的熔融热塑性聚合物)或通过使其交联而固化(例如步进快闪式NIL中使用的UV-反应性聚合物)。这些方法依赖于极低的硅或玻璃晶片表面粗糙度。然而，硅和玻璃晶片不适用于在方法中将模具或主要纳米结构维持在比聚合物的固化温度更冷的条件下以及需要高压和高注射速率来填充纳米结构的方法，诸如注射成型、压缩成型、吹塑成型之类的方法。由于硅和玻璃衬底是十分脆的，在这些方法中的应用将引起硅或玻璃衬底在注射熔融的聚合物中破裂。如先前提到，另一个问题是这些方法限于平坦表面。如果这类工具可以用更坚固和更耐用的材料例如钢来制造，它将因此是优选的。然而，为限定工具表面中的纳米结构，工具的表面粗糙度需要低于所需的纳米结构的尺寸。另外，传统的基于气体或真空的纳米结构的制造方法，如反应性离子蚀刻法、等离子体辅助蚀刻法或激光辅助蚀刻法不适用于钢，因为钢的主要成分不能变成气体分子。甚至可以被干式蚀刻的耐久性较低的金属(如铝)将受到不可能形成任意3D结构的缺点的影响，因为干式蚀刻的区域将限定纳米结构的较低的形貌水平，而未蚀刻的区域将限定较高的形貌水平，因此在其间产生具有陡坡的双水平结构。在可获得几何形状中相同类型的限制对各向同性及各向异性蚀刻也是重要的；通过各向同性蚀刻，可获得的几何形状将是半球状的，通过各向异性蚀刻的几何形状通常将取决于所蚀刻材料的晶体结构。钢的各向同性湿式化学蚀刻是可能的，但是分辨率将受钢的晶粒结构限制以及由于蚀刻的各向同性性质而限于半球状结构。归因于现有技术的前述问题，将需要获得一种技术方案，其中耐久的微米或纳米结构可以直接应用于表面粗糙度相对高的现存的聚合物成型工具上。如果可以在带有真实的3D纳米结构的自由形态的曲面上提供这种方案，则它也将是优选的。如果这种方案可以提供微弱的绝热层(与金属相比)以便增加聚合物熔体的固化时间，从而提供微米或纳米结构的更好复制，则这将是进一步有利的。如果这种方案提供这样的表面，则将是更有利的，其中所述表面能够被化学修饰以便增加熔融的聚合物的表面能和/或提供改善固化的聚合物释放的表面修饰。如果这种方案还增加工具的寿命，则将是更有利的。为克服现有技术的前述问题，本专利技术提出一项提供具有前述所需特性的技术方案的专利技术。为了获得曲面，现有的CNC研磨、电火花加工或线切割是使用最广泛的方法。这些技术的精度在10-100 μ m级别并且因此不适合制造纳米结构，并且在文献中，它们一般地还导致1-10 μ m或更高的级别的定义为Rz的表面粗糙度。文献中熟知的是，基于陶瓷材料前体的粒子可以被结构化和硬化，例如通过喷雾在模板上形成基于陶瓷的粒子(US2004/0149417)，然而，由于前体粒子具有宏观尺寸，通过这种方法不可以限定小于粒度的细节。可选地，可以通过常规平版印刷(例如光刻法或电子束光刻)或机械方法(例如压印或纳米压印)在均匀材料如光刻胶中限定微米或纳米结构(参见，例如 US2004/0182820、US2007/0257396、W000/26157、W02007/023413),然而迄今没有在能够耐受工业用聚合物成型方法的条件的材料中显示，其中在工业用聚合物成型方法中，例如在注射成型方法中，模具在注射聚合物时承受高压(例如2000atm)、高温(例如300° C)和高机械力，尤其已经仅显示在表面粗糙度远低于预期纳米结构尺寸的平滑衬底上。我们所提出的方案是，将厚度低于2 μ m,或更优选地小于3 μ m,甚至更优选地小于4 μ m,或最优选地小于5 μ m的液体陶瓷材料前体层或尤其二氧化娃前体(诸如氢娃倍半氧烷)层或其溶液层直接应用于注射成型、吹塑成型、压缩成型或压延中使用的常规模具或模具嵌件的表面上，通过机械方法如压印使其结构化，使其固化为固体陶瓷材料，并在维持模具温度低于聚合物的固化温度的高压聚合物成型方法中使用，诸如在注射成型、吹塑成型、压缩成型或压延中使用。本专利技术的新颖性和创造性由模具的成型表面上固体陶瓷材料令人惊讶的高耐久性和令人惊讶的高粘附强度而实现。通过配置如本文件中所设计的陶瓷材料前体或前体溶液而使平面和非平面高表面粗糙度的模具表面纳米结构化或平滑化的进一步令人惊讶的方便方式，也对新颖性和创造性有贡献。本专利技术的其他令人惊讶的特征是聚合物成型方法中的高复制质量，这归因于所设置的固体陶瓷材料的较低的导热性和较低的热容，这也对创造性有贡献。另外，高度地令人惊讶的是，在表面与例如300° C的热聚合物熔体接触的使用中陶瓷层未发生脱层，因为金属，尤其钢或铝的热膨胀系数远大于所设置的陶瓷，尤其是二氧化硅的热膨胀系数。通过使用在陶瓷层和金属衬底之间产生较大界面面积的非平滑金属衬底以及使得这两个层共价粘合在一起的等离子体活化和热固化方法，实现这种令人惊讶的效果。当使用标准光刻方法时，正常情况下纳米结构的制造需要表面粗糙度低于所需纳米结构尺寸的衬底，最经常地使用表面粗糙度低于5nm的平面硅晶片或玻璃晶片。当制造包含纳米结构的模具时，这引起了另一个问题，即宏观几何形状和用于产生这种宏观几何形状的方法，如研磨法或电火花加工法，通常产生高于5-10 μ m的高表面粗糙度。打磨抛光至5-10nm是可能的，但是非常费时并且极其昂贵的，并且迄今仅在平面几何形状上报道过。成型表面的高表面粗糙度也可以在需要聚合物部件为平滑的一些应用中，诸如在显微镜或细胞培养中造成问题。纳米结构的注本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：亨里克·普拉诺夫，
申请(专利权)人：因莫德生物系统公司，
类型：
国别省市：