聚合物挤出微压印过程表面微结构成型机理的研究

挤出微压印是制备具有表面微结构的塑料功能制件的重要方法，所成型制件的特征是表面具有基本尺寸为数十到数百微米的几何微结构及其阵列。在挤出微压印过程中，聚合物表面微结构的形成与宏观尺度表面结构的形成有很大差别，主要表现在制件表面微结构的形状和尺寸与成型模具上微结构模腔的形状和尺寸有较大的差异。存在上述差异的原因主要在于微尺度下，聚合物熔体具有特殊的流变行为；同时，在微尺度下聚合物表面张力、应力松弛等会对微结构表面的形成和演变产生较大的影响。本项目将重点研究挤出微压印过程中聚合物表面微结构形成和演化的机理和规律，包括聚合物在挤出微压印过程的微尺度流变行为、微尺度传热行为，以及材料的表面张力和应力松弛对制件表面微结构的影响机理和规律。为提高微结构挤出压印的几何均匀性，提出了在微压印前进行预压调厚的方法。本项目研究可以为挤出微压印方法的应用奠定科学基础。

挤出微压印技术是一种具有低成本、高产量、可以完成微结构批量连续式、大面积生产的新型微结构加工模式。本项目结合挤出微压印过程流道微小，成型时间短，速度快等特点，建立流体圆型流道非稳态流动的速度模型；建立挤出微压印可视化实验平台，研究微尺度下微尺度效应、壁面滑移、表面张力等因素对微结构成型的影响；基于RH10高压流变仪开展微尺度下聚合物熔体粘度的流变行为研究，分析微尺度下聚合物熔体粘度的影响因素，借鉴精典流变学粘度公式，提出微尺度粘度的修正预测模型；对等温和非等温热压印工艺的微结构充模过程传热学研究，得出温度和模具结构对聚合物流动状态的影响关系；同时，分析微结构挤出微压印过程微结构形状与几何尺寸演变规律，研究表面张力和弹性恢复对微结构形貌的影响机理；分析微结构形貌演变的主要影响因素，确立聚合物粘弹性本构关系，建立典型微尺度V槽结构有限元分析模型，研究材料特征、成型温度与压力、充模时间及周期、冷却条件等对聚合物充模过程与脱模形貌演变的影响；在此基础上，完成挤出微压印滚压实验装置设计与制造，增设预压印调厚系统，有效提高塑料挤出片坯壁厚均匀性，并完成典型微结构的制备实验研究。