本發(fā)明涉及一種卷對(duì)卷熱輥壓印加工方法，尤其涉及聚合物表面微納米結(jié)構(gòu)卷對(duì)卷熱輥壓印成型方法。

背景技術(shù)：

表面加工有微納米結(jié)構(gòu)的聚合物基材在光學(xué)薄膜、柔性電子、生物芯片等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。采用卷對(duì)卷熱輥壓印技術(shù)，可在聚合物基材表面實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的大面積、高效率、低成本和高精度的成形。卷對(duì)卷熱輥壓印成形技術(shù)通過(guò)將卷對(duì)卷的生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)的平板熱壓印成形工藝相結(jié)合，使待壓印的熱塑性聚合物基材在模具輥和支撐輥之間連續(xù)輥過(guò)的同時(shí)升溫軟化并在壓力作用下充填模腔，從而實(shí)現(xiàn)大面積微納米結(jié)構(gòu)的連續(xù)成形，并顯著提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

常見的熱塑性聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC、聚氯乙烯PVC等，在玻璃化溫度甚至粘流溫度以上時(shí)仍具有較高的粘度，要實(shí)現(xiàn)完全的充型需要較長(zhǎng)的時(shí)間。高彈態(tài)下聚合物材料的形變回復(fù)顯著，通常需要足夠的保壓時(shí)間，才能使得應(yīng)力松弛過(guò)程在壓印階段完成，從而達(dá)到減小成形后回彈的目的。此外，在微納米尺度下，材料與模具界面間的粘附對(duì)充型的阻礙作用不可忽略，使材料的充型流動(dòng)變得更加困難，同時(shí)，材料與模具間的粘附還將成為脫模過(guò)程中的阻力，易造成脫模缺陷。在卷對(duì)卷熱輥壓印成形中，要提高聚合物材料的流動(dòng)性能、增加充型時(shí)間、減小回彈、保證微納米結(jié)構(gòu)的復(fù)制精度，則需要提高輥壓溫度和降低輥壓速度。而為了避免高溫下脫模的困難以及聚合物基材在輥壓過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重減薄和變形，通常不得不降低輥壓速度。

較低的輥壓速度成為限制卷對(duì)卷直接熱輥壓印技術(shù)發(fā)展的原因之一。面對(duì)大面積聚合物表面微納米結(jié)構(gòu)加工需求的快速增長(zhǎng)，提高輥壓速度及復(fù)制精度成為進(jìn)一步推進(jìn)卷對(duì)卷熱輥壓印技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

中國(guó)專利201210292620.8公開了一種基于卷對(duì)卷熱輥壓聚合物薄膜表面微結(jié)構(gòu)加工裝置及方法，包括：放卷，預(yù)熱，熱輥壓，保形，冷卻及收卷六個(gè)階段。放卷階段是將聚合物薄膜從卷材中連續(xù)抽出，除去薄膜表面靜電。聚合物薄膜經(jīng)過(guò)預(yù)熱階段后，加熱至其玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下，為熱輥壓階段準(zhǔn)備。通過(guò)對(duì)版輥進(jìn)行局部加熱處理，僅壓印表面升溫至玻璃轉(zhuǎn)變溫度以上，對(duì)預(yù)熱后的薄膜輥壓成形。保形階段使輥壓成形后的薄膜仍與版輥表面緊密貼合，使其充分變形。將冷卻與保形同時(shí)作用于成形后的薄膜，使表面微細(xì)結(jié)構(gòu)迅速固化，減少回彈。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該發(fā)明具有減少回彈變形，脫模容易，但該發(fā)明的輥壓速度及復(fù)制精度比較低，不利于大規(guī)模高效生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有卷對(duì)卷熱輥壓印工藝中存在的不足，提供一種超聲振動(dòng)輔助的微納米結(jié)構(gòu)卷對(duì)卷熱輥壓印成型方法及裝置，利用超聲振動(dòng)改進(jìn)卷對(duì)卷熱輥壓印成型工藝：加速充型過(guò)程、提高復(fù)制精度、促進(jìn)排氣、減小脫模力及脫模變形。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種聚合物表面微納米結(jié)構(gòu)卷對(duì)卷熱輥壓印成型方法，該方法包括以下步驟：

(1)放卷預(yù)熱：將聚合物材料從放卷裝置傳送至預(yù)熱輥，聚合物材料預(yù)熱至貼合溫度，同時(shí)通過(guò)預(yù)熱輥施加壓力與基帶熱壓貼合；

(2)充型：將貼合在基帶上的聚合物材料傳送至模具輥和壓力輥之間，聚合物材料經(jīng)預(yù)先加熱的模具輥加熱至壓印溫度，然后再通過(guò)壓力輥?zhàn)饔锰畛淠Ｇ唬瑫r(shí)開啟超聲振動(dòng)組件，超聲振動(dòng)輔助完成充型過(guò)程；

(3)脫模：聚合物材料從模具輥和壓力輥之間傳出后，冷卻并從模具輥中分離開來(lái)，超聲振動(dòng)輔助完成脫模過(guò)程；

(4)收卷：脫模完成后，繼續(xù)冷卻聚合物產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)聚合物產(chǎn)品與基帶的分離，最后收卷，完成卷對(duì)卷熱輥壓印成型過(guò)程。

所述的聚合物材料為熱塑性聚合物卷材或片材，厚度為50-500μm。

步驟(1)所述的貼合溫度范圍為聚合物材料玻璃化溫度以上10℃至粘流溫度以下10℃。

步驟(2)所述的壓印溫度范圍為聚合物材料粘流溫度以下10℃至以上50℃。

所述的超聲振動(dòng)施加在模具輥和壓力輥組成的對(duì)輥中的從動(dòng)輥上，該超聲振動(dòng)依次傳遞至壓力輥支承、壓力輥、基帶和聚合物材料，并作用于整個(gè)充型與脫模過(guò)程。

所述的超聲振動(dòng)的振動(dòng)頻率為20～40kHz，振動(dòng)幅值為5～50μm，利用20kHz以上的超聲振動(dòng)引發(fā)聚合物材料粘彈性產(chǎn)熱，加速聚合物材料的升溫熔融，同時(shí)利用高頻的超聲振動(dòng)促進(jìn)模腔內(nèi)氣體的排出、并減小充型及脫模過(guò)程中材料與模具間的粘附阻力，通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅值可適應(yīng)不同聚合物基材及不同微納米結(jié)構(gòu)的壓印加工。

所述的基帶為具有柔性的金屬帶材、耐高溫聚合物帶材或由纖維增強(qiáng)材料與韌性聚合物組成的柔性復(fù)合材料。這些帶材表面光滑且與被加工聚合物材料間表現(xiàn)出常溫下弱粘附、高溫下強(qiáng)粘附的特點(diǎn)。

一種所述的卷對(duì)卷熱輥壓印成型方法的裝置，包括壓力輥支承、壓力輥和模具輥，還包括至少一個(gè)超聲振動(dòng)組件，所述的超聲振動(dòng)組件與壓力輥支承連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、將聚合物材料預(yù)熱至玻璃化溫度以上后，利用超聲振動(dòng)引發(fā)的粘彈性生熱輔助聚合物材料的熔融，使其表觀粘度迅速降低，加速聚合物材料的充型流動(dòng)，從而可以提高輥壓速度；

2、在聚合物材料充型的過(guò)程中，由于超聲振動(dòng)的作用，聚合物材料與模腔壁面間有高頻振動(dòng)的相對(duì)位移發(fā)生，這既有利于促進(jìn)模腔內(nèi)殘留氣體的排出，又有利于減小材料與模具之間的粘附力，減小充型及脫模過(guò)程中受到的阻力，從而輔助材料的充型及脫模；

3、利用高溫下基帶對(duì)聚合物材料較強(qiáng)的粘附作用減少聚合物材料整體的熱變形，同時(shí)，在卷對(duì)卷的傳送過(guò)程中，基帶可作為基底支撐著被加熱至粘流態(tài)附近的聚合物材料，使得卷對(duì)卷直接熱輥壓印工藝中的充型過(guò)程可以在較高溫度下進(jìn)行，增強(qiáng)卷對(duì)卷直接熱輥壓印成形的工藝適應(yīng)性；

4、冷卻過(guò)程中，利用低溫時(shí)基帶對(duì)聚合物材料粘附作用的減弱實(shí)現(xiàn)成形后聚合物產(chǎn)品與基帶的分離。

本發(fā)明利用超聲振動(dòng)改進(jìn)卷對(duì)卷熱輥壓印成型工藝，加速了充型過(guò)程，提高了復(fù)制精度，減小脫模力及脫模變形，是一種工藝先進(jìn)的壓印成型方法。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的裝置示意圖；

圖2為圖1變換超聲振動(dòng)組件的裝置示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的裝置示意圖；

圖中：1-放卷輥，2-聚合物材料，3-預(yù)熱輥，4-模具輥，5-壓力輥，6-第一基帶傳送輪，7-第二基帶傳送輪，8-基帶，9-壓力輥支承，10-超聲振動(dòng)組件，11-輥壓力施加裝置，12-冷卻裝置，13-聚合物薄膜產(chǎn)品，14-收卷輥，15-PVC層，16-PET層，17-紅外加熱裝置，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ-超聲振動(dòng)輥。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中，所用的聚合物材料為單層材料，選用熱塑性聚合物PC(聚碳酸酯)，采用的裝置其示意圖如圖1所示，其中放卷輥1、預(yù)熱輥3、模具輥4、第二基帶傳送輪7和收卷輥14的轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它們作為卷對(duì)卷傳送中的主動(dòng)輥，第二基帶傳送輪7的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)基帶8的傳輸運(yùn)動(dòng)和第一基帶傳送輪6的轉(zhuǎn)動(dòng)，壓力輥5的轉(zhuǎn)動(dòng)由模具輥4和基帶8的運(yùn)動(dòng)共同帶動(dòng)；與預(yù)熱輥3相連的液壓缸可推動(dòng)預(yù)熱輥3壓向第一基帶傳送輪6，與壓力輥5相連的液壓缸可推動(dòng)壓力輥5壓向模具輥4。

輥壓開始前，將預(yù)熱輥3表面的溫度加熱至PC的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，本實(shí)施例中PC的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為150℃、粘流溫度230℃，預(yù)熱輥3表面的溫度加熱至180℃，此外，使模具輥4表面的溫度加熱至PC的粘流溫度附近，本實(shí)施例中設(shè)為220℃。

輥壓開始后，厚度為200μm的PC薄膜2從放卷輥1傳出，進(jìn)入預(yù)熱輥3和第一基帶傳送輪6之間，預(yù)熱輥3在液壓缸壓力作用下壓向帶輪6，使PC薄膜2與基帶8貼合，基帶采用具有一定柔性的不銹鋼薄板制備，在180℃下熱壓可使PC薄膜2與不銹鋼基帶8之間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的粘附，同時(shí)完成對(duì)PC薄膜2的預(yù)熱，使其從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎硰棏B(tài)。

上述預(yù)熱與貼合過(guò)程完成后，PC薄膜2和基帶8被傳送進(jìn)入模具輥4和壓力輥5之間，輥壓力施加裝置11在液壓缸的作用下推動(dòng)壓力輥支承9向模具輥4方向滑動(dòng)，使得壓力輥5壓向模具輥4，同時(shí)，超聲振動(dòng)組件10在輥壓力的施加方向上作機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)頻率為30kHz，振動(dòng)幅值為5μm，引發(fā)壓力輥5在相應(yīng)方向上作相同頻率和幅值的機(jī)械振動(dòng)。

PC薄膜2與220℃下的模具輥4接觸后開始升溫熔融，并在壓力輥5的壓力作用下開始流動(dòng)充型，同時(shí)，壓力輥的機(jī)械振動(dòng)通過(guò)基帶8傳送至模具輥4和壓力輥5之間的PC材料，由于該部分PC材料已經(jīng)被預(yù)熱至粘彈態(tài)，超聲波在其內(nèi)部傳遞的過(guò)程中引發(fā)粘彈性生熱，加速PC材料的熔融和充型流動(dòng)。

由于模具輥4固定在機(jī)架上，且熔融的PC材料與模具輥4之間的模量相差巨大，超聲振動(dòng)組件10的振動(dòng)并不能引發(fā)模具輥4作同步的機(jī)械振動(dòng)，因此，已流入模腔內(nèi)的PC材料和模腔壁面之間將產(chǎn)生高頻振動(dòng)地相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這一高頻振動(dòng)地相對(duì)運(yùn)動(dòng)可顯著減小材料與模具之間的粘附力，并促進(jìn)模腔內(nèi)殘余氣體的排出。

在超聲振動(dòng)的輔助下，卷對(duì)卷熱輥壓印的充型過(guò)程快速完成，基帶8帶著表面成形有微納米結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜產(chǎn)品13從模具輥4和壓力輥5之間輥出，冷卻裝置12向聚合物薄膜產(chǎn)品13吹氣冷卻，由于超聲振動(dòng)使材料與模具之間的粘附力顯著減小，脫模過(guò)程可在較快速度下順利完成，在冷氣作用下，首先是聚合物薄膜產(chǎn)品13表面的微納米結(jié)構(gòu)迅速冷卻固化，隨后聚合物薄膜產(chǎn)品13的基底厚度部分也被冷卻下來(lái)，使其與基帶8之間的強(qiáng)粘附轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯恼掣?，最后，在張緊力作用下，表面加工有微納米結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜產(chǎn)品13與基帶8順利分離，并由收卷輥14完成產(chǎn)品的收卷。

本實(shí)施例也可用圖2所示的裝置進(jìn)行，圖2為超聲振動(dòng)布置方式的變種，設(shè)有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)超聲振動(dòng)輥，可有效增長(zhǎng)壓印時(shí)間，提高輥壓成形效率。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，所用的聚合物材料為雙層材料，選用PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二酯)和PVC(聚氯乙烯)組成的雙層材料。

采用的裝置其示意圖如圖3所示，其中放卷輥1、模具輥4和收卷輥13的轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，作為卷對(duì)卷傳送中的主動(dòng)輥，壓力輥的轉(zhuǎn)動(dòng)由模具輥4的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)，與壓力輥5相連的液壓缸可推動(dòng)壓力輥5壓向模具輥4。

聚合物材料2由PVC層15(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度81℃，粘流溫度160℃)和PET層16(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度69℃，粘流溫度250℃)鍵合而成，其中PVC層15的厚度50μm，為微納米結(jié)構(gòu)的成形層，PET層16的厚度150μm，為基底層。

輥壓開始后，厚度為200μm的聚合物材料2從放卷輥1傳出，其表面PVC層15首先被紅外加熱裝置17預(yù)熱至100℃。模具輥預(yù)先被加熱至155℃，預(yù)熱完成后聚合物材料2進(jìn)入模具輥4和壓力輥5之間，輥壓力施加裝置11在液壓缸的作用下推動(dòng)壓力輥支承9向模具輥4方向滑動(dòng)，使得壓力輥5壓向模具輥4，同時(shí)，超聲振動(dòng)組件10在輥壓力的施加方向上作機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)頻率為30kHz，振動(dòng)幅值為5μm，引發(fā)壓力輥5在相應(yīng)方向上作相同頻率和幅值的機(jī)械振動(dòng)。

聚合物材料2上的PVC層15與155℃下的模具輥4接觸后開始升溫熔融，并在壓力輥5的壓力作用下開始流動(dòng)充型，同時(shí)，壓力輥的機(jī)械振動(dòng)傳送至模具輥4和壓力輥5之間的聚合物材料，由于該部分PVC材料層15已經(jīng)被預(yù)熱至粘彈態(tài)，超聲波在其內(nèi)部傳遞的過(guò)程中引發(fā)粘彈性生熱，加速PVC材料層15的熔融和充型流動(dòng)，PET材料層16由于分子剛度高、粘彈性生熱少且粘流溫度遠(yuǎn)高于PVC材料層，在整個(gè)卷對(duì)卷熱輥壓印過(guò)程中作為PVC材料層15的支撐基底。

由于模具輥4固定在機(jī)架上，且熔融的PVC材料層15與模具輥4之間的模量相差巨大，超聲振動(dòng)組件10的振動(dòng)并不能引發(fā)模具輥4作同步的機(jī)械振動(dòng)，因此，已流入模腔內(nèi)的PVC材料15和模腔壁面之間將產(chǎn)生高頻振動(dòng)地相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這一高頻振動(dòng)地相對(duì)運(yùn)動(dòng)可顯著減小材料與模具之間的粘附力，并促進(jìn)模腔內(nèi)殘余氣體的排出。

在超聲振動(dòng)的輔助下，卷對(duì)卷熱輥壓印的充型過(guò)程快速完成，表面成形有微納米結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜產(chǎn)品13從模具輥4和壓力輥5之間輥出，冷卻裝置12向聚合物薄膜產(chǎn)品13吹氣冷卻，由于超聲振動(dòng)使材料與模具之間的粘附力顯著減小，脫模過(guò)程可在較快速度下順利完成，在冷氣作用下，聚合物薄膜產(chǎn)品13表面的微納米結(jié)構(gòu)迅速冷卻固化，隨后聚合物薄膜產(chǎn)品13的基底厚度部分也被冷卻下來(lái)，最后，由收卷輥14完成產(chǎn)品的收卷。