專利名稱：利用納米材料改性pdms制作熱模壓模具的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域熱壓模具的制作方法，具體地說(shuō)， 涉及的是一種利用納米材料改性PDMS(聚二甲基硅氧烷)制作熱模壓模具的方 法。
背景技術(shù)：
經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，微流控芯片己經(jīng)在生化分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。制 作微流控芯片的材料主要有硅、玻璃、塑料、陶瓷和硅橡膠等，由于高分子材 料具有加工成型方便、價(jià)格便宜，可以廉價(jià)的大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為研 究的熱點(diǎn)。目前，制作聚合物微流控芯片的方法主要有熱模壓、注塑、激光燒 蝕和LIGA技術(shù)等多種方法。
熱模壓是利用熱塑性材料在高于其玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)的時(shí)候軟化的特點(diǎn)， 將模具與熱塑性材料放在一起，加溫到高于其Tg溫度，并施加以一定的壓力， 經(jīng)一定時(shí)間后，并經(jīng)降溫脫模過(guò)程，從而將模具的圖形轉(zhuǎn)移到熱塑性材料上。 熱模壓技術(shù)由于模壓材料更換方便、加工成型簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短，是一種極具 商業(yè)應(yīng)用潛力的加工技術(shù)。熱壓技術(shù)中最關(guān)鍵的是模具的制造，傳統(tǒng)的有硅模 具、金屬模具以及玻璃模具。硅模在模壓中很容易破裂，因而使用壽命不長(zhǎng)； 而通過(guò)微機(jī)電加工工藝制備的金屬模具，工藝加工周期長(zhǎng)，成本高，并且在其 電鑄制備工藝中使用的環(huán)氧負(fù)性光刻膠與襯底的結(jié)合力差，在電鑄的過(guò)程中容 易脫落，而且在電鑄后脫模時(shí)光刻膠難以去除徹底，容易對(duì)模具表面形成損傷， 是該工藝的一大難點(diǎn)；玻璃模具由于受限于玻璃加工工藝，不能制作較深的模 具，且模具由于玻璃各向同性腐蝕的特點(diǎn)，很難精確的控制結(jié)構(gòu)。
目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種利用聚合物材料作為熱模壓的模具的報(bào)道，而PDMS 由于其價(jià)格便宜、對(duì)圖形復(fù)制性好，尤其引人關(guān)注。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，2004年Terry Koerner等在Sensors and Actuators,(傳感器和執(zhí)行器)2004年第11期第卜2頁(yè)發(fā)表的文章(TerryKoerner等， Epoxy resins as stamps for hot embossing of microstructures and microfluidic channels (環(huán)氧樹脂做為熱壓結(jié)構(gòu)和微通道的方法)采取在 SU-8型(美國(guó)Microchetn公司產(chǎn)品)負(fù)性環(huán)氧光刻膠制作的陰模具上澆注一層 PDMS，待其固化脫模后形成PDMS陽(yáng)模具，然后在PDMS陰模上澆注一層環(huán)氧樹 脂，脫模后即得到用于熱模壓的環(huán)氧樹脂陰模具。雖然方法比較方便，但是環(huán) 氧樹脂制作的模具本身不能耐高溫，而且環(huán)氧樹脂本身對(duì)結(jié)構(gòu)的復(fù)制不是太好； 而美國(guó)Ahn課題組則直接使用PDMS聚合物做為熱壓的模具(Jin-Hwan Lee， Erik T. K. Peterson,^Gabriel Dagani，_and Ian P即autsky^_Ra,pid prototyping of plastic microfluidic devices in cyclic olefin copolymer(C0C). Proc. Of SPIE， 2005， Vol. 5718:83)。由于PDMS本身的楊氏模量小，熱膨脹系數(shù) 大，因此很難精確的控制整個(gè)熱壓過(guò)程。如何增強(qiáng)增韌聚合物，挖掘聚合物的 力學(xué)性能潛力， 一直是國(guó)內(nèi)外高分子學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種利用納米材料改性 PDMS制作熱模壓模具的方法，通過(guò)使用納米材料改性聚二甲基硅氧烷，使其機(jī) 械強(qiáng)度及熱膨脹系數(shù)都得到改善，同時(shí)又保持了PDMS對(duì)模具圖形復(fù)制好、熱壓 時(shí)候易脫模等優(yōu)點(diǎn)，從而快速制做熱壓模具并可用于快速微流控芯片的制作。 本發(fā)明具有工藝流程周期短，難度低，重復(fù)性好，價(jià)格低廉等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明通過(guò)使用納米材料改性聚二甲 基硅氧垸，采用納米粒子與聚二甲基硅氧烷的固化劑及預(yù)聚體混合，混合均勻 后加入到陽(yáng)版模具上，固化后就形成具有相反結(jié)構(gòu)的改性的PDMS陰版模具，將 此改性的PDMS陰版模具從母模揭下來(lái)后就可作為熱壓的模具，該模具可以用于 微機(jī)械制造工藝中使用熱壓工藝對(duì)熱塑性材料進(jìn)行加工。
所述納米粒子， 一般為納米無(wú)機(jī)材料，其尺寸在500nm以下，本身不能有 自身聚集，且在PDMS中易于分散，其楊氏模量大于PDMS的楊氏模量。如二氧 化硅或二氧化鈦、氧化鋁等。由于加入的納米粒子為納米級(jí)，對(duì)尺度在微米級(jí) 微流控芯片的模具結(jié)構(gòu)影響較少，因此通過(guò)此方法制備的模具仍然具有PDMS對(duì) 結(jié)構(gòu)復(fù)制較好的特點(diǎn)，同時(shí)由于其納米粒子的加入，和裸PDMS模具相比，強(qiáng)度 得到了增強(qiáng)，可以用來(lái)制作模具，改善模壓的質(zhì)量。
所述納米粒子，對(duì)不同的改性材料，不同的要求而言，其比例不同，該比
4例根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行確定。如以二氧化硅納米粒子為例，其與聚二甲基硅氧烷 的固化劑及預(yù)聚體的質(zhì)量比為7: 1-8: l均可達(dá)到較好的效果。 所述聚二甲基硅氧垸的固化劑及預(yù)聚體為現(xiàn)有常用技術(shù)。
所述混合主要是指采取物理機(jī)械方法，混合過(guò)程中需要充分均勻，如可用 超聲處理，混合過(guò)程中會(huì)有氣泡產(chǎn)生，為了保證改性PDMS能夠較好的復(fù)制版圖 設(shè)計(jì)的圖形，而不會(huì)因?yàn)闅馀萦绊懩＞咭约盁釅旱男Ч?，混合均勻后需要進(jìn)行 抽真空處理。
所述陽(yáng)版模具，可以是采用微機(jī)電加丁中的硅深刻蝕技術(shù)制作的砷模具， 或在基底片上旋涂光刻膠，通過(guò)光刻顯影后形成的光刻膠模具；也可通過(guò)激光 加工、精機(jī)械加工的方法制作的金屬模具等。
所述的納米粒子加入的時(shí)機(jī)，必須在PDMS固化之前，可以在PDMS預(yù)聚體 和本體混合好再后加入，也可三種材料一起加入混合。
本發(fā)明和傳統(tǒng)的熱壓模具制備方法相比，具有成本低(一個(gè)模具價(jià)格在10 元以下，而通過(guò)電鍍方法制備的金屬模具成本在2000元以上)、制備時(shí)間短(可 在一天內(nèi)完成整個(gè)模具的制作)；耐用性好(可重復(fù)在幾十次以上，而普通的硅 模具則僅能使用幾次)；易于脫模，且易于操作控制(相比裸PDMS模具)。
圖1為實(shí)施例中工藝路線示意圖。
圖2為使用二氧化硅PDMS質(zhì)量比為1: 7的改性PDMS模壓PMMA后的結(jié)構(gòu) 掃描電鏡結(jié)果照片。
圖3為使用二氧化硅PDMS質(zhì)量比為1: 8的改性PDMS模壓PMMA后的結(jié)構(gòu) 掃描電鏡結(jié)果照片。
圖4為使用二氧化鈦PDMS質(zhì)量比為1: 3的改性PDMS模壓P麗A后的結(jié)構(gòu) 掃描電鏡結(jié)果照片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方
案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的 保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例l:基于二氧化硅(1: 7)改性的實(shí)施例 (1)光刻膠模板的制備如圖1中所示，首先采用SU-8-100型負(fù)性光刻膠(美國(guó)Micro Chem公司)， 以2500r/min的轉(zhuǎn)速在單面拋光的硅片或者有氧化鈦襯底的玻璃片上甩膠，獲 得厚度為120um的光刻膠。前烘條件為10min從室溫升至65U保溫10min， 然后30min升至95°C，并保溫35min，隨爐冷。曝光采用德國(guó)Karl Suss公司MA6 型光刻機(jī)，曝光時(shí)間為60s。后烘條件為30min從室溫升至90°C，并保溫10min， 隨爐冷。采用Micro Chem公司專用的SU-8顯影液，顯影時(shí)間為6min，顯影后 用異丙醇清洗，氮?dú)獯蹈桑传@得所需的光刻膠模板。光刻膠模板在澆鑄前用 氟硅烷(SiHF3)處理表面，以避免固化的PDMS模具脫模時(shí)損傷光刻膠模板。
(2) PDMS的制備以及改性
如圖l所示，將PDMS (牌號(hào)sygard 184，美國(guó)道康寧公司的產(chǎn)品)預(yù)聚 體與固化劑按照10:1的質(zhì)量比混合。充分?jǐn)嚢韬?，再?jīng)過(guò)真空脫氣，得到固化 前的PDMS。
在本例中采用的比例為質(zhì)量比7:1 (此時(shí)的PDMS質(zhì)量為固化劑加上預(yù)聚體 后的質(zhì)量)，然后超聲15min，再次真空脫氣，得到改性的PDMS樣品。
如圖1所示將改性的PDMS材料澆鑄在光刻膠模板上。在80°C下固化1小時(shí) 后，將其從模板上揭下，即可得到所需的熱模壓的模具。
(3) 利用PDMS模具進(jìn)行聚合物材料的熱壓 模壓是在德國(guó)JENOPTIK Microtechnik GmbH公司制造的HEX01/T-A型高精度
熱壓機(jī)上進(jìn)行。如圖1中6所示。模壓選擇的聚合物材料主要為聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)(購(gòu)自南通三菱麗陽(yáng)公司為2mm厚的片材。經(jīng)差分掃描量熱儀測(cè)定， 其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為103'C。實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)需要將PMMA片材裁成2X4厘米4小片， 分別在乙醇和異丙醇中超聲清洗分鐘，接著用大量去離子水沖洗，最后用氮?dú)?吹干。
將PDMS模具貼在清洗干凈的PMMA片上，放入熱壓夾具上。按照優(yōu)化的工 藝參數(shù)進(jìn)行模壓，具體工藝條件如下:在真空條件下，升溫至150'C，在溫度為 150'C條件下，控制壓力在500N，保持時(shí)間為5分鐘。然后在保持相同的壓力條 件下，降溫至65度，充氣后結(jié)束熱壓過(guò)程，取出片子后，手工將熱壓的P畫A 芯片從改性PDMS母模上脫模，如圖1中7所示，即得到具有微流控通道結(jié)構(gòu)的 樣片，如圖2所示。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，經(jīng)整個(gè)改性PDMS熱壓后，相比最初的流道 設(shè)計(jì)，其最后流道的變化在3%左右，符合一般的熱模壓要求。實(shí)施例2:基于二氧化硅PDMS (1: 8)改性的實(shí)施例
步驟同實(shí)施例l，僅在第二步中PDMS和納米二氧化硅的比例為(8: 1)，混
合的時(shí)候不同于范例1，預(yù)聚體和本體(1: 10)以及納米粒子一起加入，并充
分?jǐn)嚢?，真空去氣，其余步驟相同，最后得到的熱壓結(jié)果如圖3所示，其流道 變化略差于7: l的比例，約在5%左右，但是仍可滿足一定的熱壓要求。
實(shí)施例3:基于二氧化鈦PDMS (1: 3)改性的實(shí)施例
步驟同實(shí)施例l，但是改性材料改為二氧化鈦，在第二步中PDMS和納米二 氧化鈦的比例為(3: 1)，其余步驟相同，最后得到的熱壓結(jié)果如圖3所示，其 流道變化略差于二氧化硅PDMS7: l的比例，約在5%左右，但是仍可滿足一定 的熱壓要求，如圖4所示。
權(quán)利要求
1、一種利用納米材料改性PDMS制作熱模壓模具的方法，其特征在于通過(guò)使用納米材料改性聚二甲基硅氧烷，采用納米粒子與聚二甲基硅氧烷的固化劑及預(yù)聚體混合，混合均勻后加入到陽(yáng)版模具上，固化后就形成具有相反結(jié)構(gòu)的改性的PDMS陰版模具，將此改性的PDMS陰版模具從母模揭下來(lái)后即為熱壓的模具。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用納米材料改性PDMS制作熱模壓模具的方法， 其特征是，所述納米粒子為納米無(wú)機(jī)材料，其尺寸在500nm以下，其楊氏模量 大于PDMS的楊氏模量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用納米材料改性PDMS制作熱模壓模具的 方法，其特征是，所述納米粒子為二氧化硅、二氧化鈦、或氧化鋁中一種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用納米材料改性PDMS制作熱模壓模具的方法， 其特征是，所述納米粒子為二氧化硅，其與聚二甲基硅氧烷的固化劑及預(yù)聚體 的質(zhì)量比為7: 1-8: 1。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用納米材料改性PDMS制作熱模壓模具的方法， 其特征是，所述混合采取物理機(jī)械方法，采用超聲處理，混合均勻后進(jìn)行抽真 空處理。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用納米材料改性PDMS制作熱模壓模具的方法， 其特征是，所述陽(yáng)版模具，是指采用微機(jī)電加工中的硅深刻蝕技術(shù)制作的硅 模具，或在基底片上旋涂光刻膠，通過(guò)光刻顯影后形成的光刻膠模具；或者通 過(guò)激光加工、精機(jī)械加工的方法制作的金屬模具。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域的利用納米材料改性PDMS制作熱模壓模具的方法，通過(guò)使用納米材料改性聚二甲基硅氧烷，采用納米粒子與聚二甲基硅氧烷的固化劑及預(yù)聚體混合，混合均勻后加入到陽(yáng)版模具上，固化后就形成具有相反結(jié)構(gòu)的改性的PDMS陰版模具，將此改性的PDMS陰版模具從母模揭下來(lái)后即為熱壓的模具。這樣，既保持了PDMS容易脫模，完整復(fù)制圖形的特點(diǎn)，又提高了其楊氏模量，減少了熱膨脹系數(shù)，可以利用來(lái)作為熱壓模具，是一種快速，高效，低成本制造微機(jī)械熱壓工藝模具的方法。
文檔編號(hào)G03F1/00GK101554758SQ20091004900
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者鵬 汪, 王永強(qiáng), 肖麗君, 翔 陳, 迪 陳 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)