一種去潤濕和模板相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種去潤濕和模板相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法，選用聚二甲基硅氧烷為基底，與依次旋涂得到的聚苯乙烯和聚乙二醇高分子薄膜構(gòu)成三層復(fù)合體系，再以聚二甲基硅氧烷的條紋皺紋結(jié)構(gòu)為模板進(jìn)行配合使用，通過加熱保溫和冷卻的方式構(gòu)筑聚乙二醇微球和聚苯乙烯皺紋相復(fù)合的微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的方法具有快速，簡單，重復(fù)性好的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大面積多級有序微結(jié)構(gòu)的制備。
【專利說明】一種去潤濕和模板相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聚合物的微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，更加具體地說，涉及一種PEG在PS皺紋上去潤濕的工藝方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來構(gòu)筑多級有序的微觀圖案逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)代科技的核心問題之一，并被廣泛應(yīng)用于微反應(yīng)器、生物傳感器、微電子器件、光學(xué)器件以及生物界面等領(lǐng)域。隨著加工技術(shù)的發(fā)展，在聚合物薄膜表面構(gòu)筑微米級或納米級微圖案的技術(shù)日趨成熟，且主要可以分為兩類:一種是自上而下的方法，通常是利用不同的刻蝕工藝得到分辨率較高的微圖案，包括光刻技術(shù)、微接觸印刷技術(shù)、納米壓印技術(shù)和軟刻蝕技術(shù)等；另一種是從下而上的方法，即利用分子或微粒間的相互作用力，以及各種物理化學(xué)過程直接得到三維有序微結(jié)構(gòu)，比如相分離，自組裝，水滴模板法等技術(shù)。由于這些方法均存在不同程度的缺陷，所以如何將這兩種方法結(jié)合，找到一條即精度高又快捷廉價(jià)的方法來在聚合物薄膜表面構(gòu)筑微圖案已經(jīng)成為現(xiàn)在發(fā)展的主要趨勢和大家競相研究的熱點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種將去潤濕和模板法相結(jié)合制備多級有序微結(jié)構(gòu)的方法，選用(聚)二甲基硅氧烷(PDMS)為基底，與依次旋涂得到的聚苯乙烯(PS)和聚乙二醇(PEG)高分子薄膜構(gòu)成三層復(fù)合體系。利用簡單的操作方式構(gòu)筑了 PEG微球和PS皺紋相復(fù)合的微結(jié)構(gòu)，并做到了通過改變模板的周期等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)的形貌進(jìn)行精確的調(diào)控。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0005]一種去潤濕和模板相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法，按照下述步驟進(jìn)行:
[0006]步驟1，將聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑按(10 - 20):1的質(zhì)量比混合并攪拌均勻；
[0007]步驟2，將步驟I混合均勻的物質(zhì)在循環(huán)水式多用真空泵中脫氣后，在60度-70度下固化2小時(shí)-6小時(shí)，形成聚二甲基硅氧烷彈性體；
[0008]步驟3，將步驟2制備的聚二甲基硅氧烷彈性體在預(yù)拉伸的狀態(tài)下用氧等離子體進(jìn)行處理，在進(jìn)行處理過程中，維持聚二甲基硅氧烷彈性體的預(yù)拉伸形變穩(wěn)定不變，氧等離子體與聚二甲基硅氧烷彈性體表面的聚對二甲基硅氧烷發(fā)生反應(yīng)，形成二氧化硅層，由于二氧化硅的硬度較大，聚二甲基硅氧烷的硬度很小，進(jìn)而形成一個(gè)軟硬復(fù)合體系；在撤銷外力后的緩慢回縮的過程中，由于上下兩層硬度不同，會在界面處產(chǎn)生應(yīng)力，得到帶有條形皺紋的聚二甲基硅氧烷模板；
[0009]其中所述條形皺紋為近似正鉉曲線的形貌，將一個(gè)波峰到鄰近的另一個(gè)波峰的長度定義為一個(gè)周期，所述周期受預(yù)拉伸、氧等離子體處理強(qiáng)度和處理時(shí)間的影響，即通過調(diào)整預(yù)拉伸、氧等離子體處理強(qiáng)度和處理時(shí)間來調(diào)控周期，例如沿聚二甲基硅氧烷彈性體長度方向上預(yù)拉伸10%的狀態(tài)下，使用氧等離子體進(jìn)行處理，功率300w，處理lOmin，以獲得周期為4.2 μ m的聚二甲基硅氧烷彈性體模板。
[0010]步驟4，將步驟2制備的聚二甲基硅氧烷彈性體進(jìn)行氧等離子體處理，以在聚二甲基硅氧烷彈性體表面形成二氧化硅層，用做聚二甲基硅氧烷彈性體基底，將聚苯乙烯的甲苯溶液旋涂在制備的聚二甲基硅氧烷彈性體基底上，以得到PDMS/PS雙層體系并真空干燥；
[0011]其中所述聚苯乙烯的甲苯溶液為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)lwt% -3wt%的聚苯乙烯的甲苯溶液；使用氧等離子體處理30秒，功率300w。
[0012]步驟5，將聚乙二醇的乙醇溶液旋涂在經(jīng)過步驟4處理的PDMS/PS雙層體系的聚苯乙烯層上，得到PDMS/PS/PEG三層體系并真空干燥；
[0013]其中所述聚乙二醇的乙醇溶液為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)lwt% — 3wt%的聚乙二醇的乙醇溶液。
[0014]步驟6，在步驟5獲得的PDMS/PS/PEG三層體系表面加蓋步驟3中制備的聚二甲基硅氧烷模板，將聚二甲基硅氧烷模板上帶有皺紋圖案的一面與聚乙二醇層相接觸，并加熱至聚乙二醇熔點(diǎn)之上，且不達(dá)到聚苯乙烯和聚二甲基硅氧烷的玻璃花轉(zhuǎn)變溫度，以使聚乙二醇層破裂為液態(tài)并在聚二甲基硅氧烷皺紋模板的波谷處聚集，聚苯乙烯層直接與聚二甲基硅氧烷模板相接觸；在加熱保溫過程中，聚苯乙烯和聚二甲基硅氧烷，保持固態(tài)并發(fā)生不同程度的膨脹，進(jìn)行冷卻時(shí)由于聚苯乙烯和聚二甲基硅氧烷的熱膨脹系數(shù)不同，回縮時(shí)在界面處產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而形成皺紋，由于受到聚二甲基硅氧烷模板的限制作用，在聚苯乙烯層上形成的皺紋和聚二甲基硅氧烷模板的形貌互補(bǔ)，即聚二甲基硅氧烷模板的波峰處為聚苯乙烯皺紋的波谷處，聚二甲基硅氧烷模板的波谷處為聚苯乙烯皺紋的波峰處，同時(shí)鑒于聚乙二醇為親水性，聚苯乙烯為疏水性，液態(tài)的聚乙二醇在聚苯乙烯皺紋的波峰處發(fā)生去潤濕，從而形成在聚苯乙烯皺紋波峰處，聚乙二醇微球有序排布的微結(jié)構(gòu)。
[0015]其中選擇加熱至90— 95攝氏度保溫1一2小時(shí)后，自然冷卻至80攝氏度時(shí)，撤掉聚二甲基硅氧烷模板。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的方法具有快速，簡單，重復(fù)性好的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大面積多級有序微結(jié)構(gòu)的制備。精細(xì)調(diào)控了 PDMS彈性體表面的圖案化微結(jié)構(gòu)的形貌，避免了自上而下方法中昂貴儀器的使用、復(fù)雜的工藝條件、和苛刻的實(shí)驗(yàn)參數(shù)等缺點(diǎn)，也避免了從下而上方法中圖案規(guī)整度相對較差和尺寸范圍小等不足。采用本發(fā)明的方法制得的微結(jié)構(gòu)在仿生、微流器件、微轉(zhuǎn)移和生物選擇性沉積等方面均具有較大的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是利用本發(fā)明的制備方法獲得復(fù)合微結(jié)構(gòu)的光鏡照片。
[0018]圖2是利用本發(fā)明的制備方法的復(fù)合微結(jié)構(gòu)在浸泡去離子水后的光鏡照片。

【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。下面實(shí)施例使用的化學(xué)試劑信息如下=(I)PDMS的預(yù)聚體，美國密歇根州道康寧公司；(2)PDMS的交聯(lián)劑，美國密歇根州道康寧公司；(3)聚苯乙烯PS，數(shù)均分子量25，0000，百靈威科技有限公司；(4)聚乙二醇PEG，數(shù)均分子量:4000，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。下面實(shí)施例使用的儀器信息如下:(I)氧等離子體清洗器，型號:HARRICK TOC-32G，邁可諾技術(shù)有限公司，使用功率300w ；
(2)熒光倒置顯微鏡，型號Abserver.Al，德國蔡司有限公司；(3)掃描電子顯微鏡，型號:XL-30型，荷蘭飛利浦公司。
[0020]實(shí)施例:
[0021]1.將PDMS預(yù)聚體和交聯(lián)劑按質(zhì)量比為10:1混合后，倒入培養(yǎng)皿中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢栊纬删鶆虻念A(yù)聚合物；
[0022]2.若混合好的預(yù)聚體在循環(huán)水式多用真空泵中脫氣I小時(shí)后，在70攝氏度下加熱6小時(shí)進(jìn)行固化；
[0023]3.將上述制備的PDMS彈性體剪切成6cmX 2cm的長方形,厚約沿最長6cm的方向在預(yù)拉伸10%的狀態(tài)下用氧等離子體處理10分鐘。氧等離子體處理時(shí)，可在PDMS的表面形成二氧化硅層，且氧等離子體處理的時(shí)間越長，形成的二氧化硅層越厚。在回縮過程中，由于二氧化硅層厚度不同，產(chǎn)生的應(yīng)力不同，進(jìn)而得到的皺紋的尺寸不同。由于得到的皺紋為近似正鉉曲線的形貌，將一個(gè)波峰到鄰近的另一個(gè)波峰的長度定義為一個(gè)周期。該周期受氧等離子體處理時(shí)間的影響，處理時(shí)間越長，周期越大。處理10分鐘時(shí)，緩慢回縮后得到周期為4.2 μ m的PDMS模板；
[0024]4.將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2被％的PS甲苯溶液旋涂在步驟二制備的PDMS彈性基底上，得到PDMS/PS雙層體系，真空干燥Ih ；
[0025]5.將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3wt%的PEG乙醇溶液旋涂在經(jīng)過步驟四真空干燥過的PDMS/PS雙層體系上，得到PDMS/PS/PEG三層體系，再次真空干燥Ih ；
[0026]6.在步驟五獲得的PDMS/PS/PEG三層體系表面加蓋步驟三中制備的PDMS模板，用洗耳球輕吹保證接觸良好。將樣品在95攝氏度下加熱2小時(shí)后緩慢冷卻，冷卻到80攝氏度時(shí)將PDMS模板揭開，繼續(xù)冷卻到室溫，從而形成在PS皺紋波峰處PEG微球有序排布的微結(jié)構(gòu)。利用周期為4.8 μ m的模板誘導(dǎo)得到的PEG微球和PS皺紋復(fù)合微結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖1為光學(xué)顯微鏡圖片。
[0027]7.將步驟六得到的樣品浸泡在去離子水中一段時(shí)間后取出，干燥后得到的微結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于PEG為親水性高分子，而PS為疏水性高分子，所以在浸泡過程中，PEG溶于水走掉，只留下PS皺紋，與圖2相符。進(jìn)一步證明復(fù)合微結(jié)構(gòu)中，皺紋為PS，微球?yàn)镻EG。
[0028]以上對本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種去潤濕和模板相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，按照下述步驟進(jìn)行: 步驟1，將聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑按(10 - 20):1的質(zhì)量比混合并攪拌均勻；步驟2，將步驟I混合均勻的物質(zhì)在循環(huán)水式多用真空泵中脫氣后，在60度-70度下固化2小時(shí)-6小時(shí)，形成聚二甲基硅氧烷彈性體； 步驟3，將步驟2制備的聚二甲基硅氧烷彈性體在預(yù)拉伸的狀態(tài)下用氧等離子體進(jìn)行處理，在進(jìn)行處理過程中，維持聚二甲基硅氧烷彈性體的預(yù)拉伸形變穩(wěn)定不變，氧等離子體與聚二甲基硅氧烷彈性體表面的聚對二甲基硅氧烷發(fā)生反應(yīng)，形成二氧化硅層，由于二氧化硅的硬度較大，聚二甲基硅氧烷的硬度很小，進(jìn)而形成一個(gè)軟硬復(fù)合體系；在撤銷外力后的緩慢回縮的過程中，由于上下兩層硬度不同，會在界面處產(chǎn)生應(yīng)力，得到帶有條形皺紋的聚二甲基硅氧烷模板，所述條形皺紋為近似正鉉曲線的形貌； 步驟4，將步驟2制備的聚二甲基硅氧烷彈性體進(jìn)行氧等離子體處理，以在聚二甲基硅氧烷彈性體表面形成二氧化硅層，用做聚二甲基硅氧烷彈性體基底，將聚苯乙烯的甲苯溶液旋涂在制備的聚二甲基硅氧烷彈性體基底上，以得到PDMS/PS雙層體系并真空干燥；步驟5，將聚乙二醇的乙醇溶液旋涂在經(jīng)過步驟4處理的PDMS/PS雙層體系的聚苯乙烯層上，得到PDMS/PS/PEG三層體系并真空干燥； 步驟6，在步驟5獲得的PDMS/PS/PEG三層體系表面加蓋步驟3中制備的聚二甲基硅氧烷模板，將聚二甲基硅氧烷模板上帶有皺紋圖案的一面與聚乙二醇層相接觸，并加熱至聚乙二醇熔點(diǎn)之上，且不達(dá)到聚苯乙烯和聚二甲基硅氧烷的玻璃花轉(zhuǎn)變溫度，以使聚乙二醇層破裂為液態(tài)并在聚二甲基硅氧烷皺紋模板的波谷處聚集，聚苯乙烯層直接與聚二甲基硅氧烷模板相接觸；在加熱保溫過程進(jìn)行冷卻，由于受到聚二甲基硅氧烷模板的限制作用，在聚苯乙烯層上形成的皺紋和聚二甲基硅氧烷模板的形貌互補(bǔ)，即聚二甲基硅氧烷模板的波峰處為聚苯乙烯皺紋的波谷處，聚二甲基硅氧烷模板的波谷處為聚苯乙烯皺紋的波峰處，液態(tài)的聚乙二醇在聚苯乙烯皺紋的波峰處發(fā)生去潤濕，從而形成在聚苯乙烯皺紋波峰處，聚乙二醇微球有序排布的微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種去潤濕和模板相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟3中，將一個(gè)波峰到鄰近的另一個(gè)波峰的長度定義為一個(gè)周期，所述周期受預(yù)拉伸、氧等離子體處理強(qiáng)度和處理時(shí)間的影響，即通過調(diào)整預(yù)拉伸、氧等離子體處理強(qiáng)度和處理時(shí)間來調(diào)控周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種去潤濕和模板相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟3中，沿聚二甲基硅氧烷彈性體長度方向上預(yù)拉伸10%的狀態(tài)下，使用氧等離子體進(jìn)行處理，功率300w，處理lOmin，以獲得周期為4.2 μ m的聚二甲基硅氧烷彈性體模板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種去潤濕和模板相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟4中，所述聚苯乙烯的甲苯溶液為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的聚苯乙烯的甲苯溶液；使用氧等離子體處理30秒，功率300w。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種去潤濕和模板相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟5中，所述聚乙二醇的乙醇溶液為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)lwt%—3wt%的聚乙二醇的乙醇溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種去潤濕和模板相結(jié)合構(gòu)筑多級有序微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在步驟6中，選擇加熱至90— 95攝氏度保溫I一2小時(shí)后，自然冷卻至80攝氏度時(shí)，撤掉聚二甲基硅氧烷模板。
【文檔編號】B81C1/00GK104401933SQ201410614471
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】魯從華, 侯靜, 汪娟娟, 陳欣, 楊秀 申請人:天津大學(xué)