软刻蚀技术在高分子科学中的应用

论文摘要

基于自身结构和性能上的天然优势,高聚物是理想的纳米建筑性基材,高聚物的微结构已经在化学、生物、信息、物理等领域得到了应用。作为一种新兴的微制造技术,软刻蚀技术不仅能够简捷有效、高精度地制备出众多材料的微结构,而且技术成本低廉,它不需要昂贵的设备和苛刻的环境,具有极好的应用前景。本论文把软刻蚀技术结合到高分子科学中来,笔者通过软刻蚀技术制备了具有科研价值和应用价值的高聚物微结构,研究成果具体包括以下几个部分:1.溶胀弹性印章的毛细微模塑聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料在某些极性有机溶剂中易变形的特性常使制备的微结构失真,这本是软刻蚀技术的一大缺陷,笔者则变废为宝,用经过丙酮溶胀后的PDMS弹性印章进行毛细微模塑（MIMIC）操作,制备了图案可控的聚苯乙烯（PS）微结构,我们将这项新的MIMIC技术称之为“溶胀弹性印章的毛细微模塑（MIMICSES）”。在MIMICSES技术中,高聚物微结构的图案可以通过改变高聚物溶液量和外加的压力来控制;MIMICSES是对软刻蚀技术的一种发展,它拓宽了软刻蚀技术适用材料的范围,借用溶胀的PDMS弹性印章,一些必须用极性有机试剂溶解的高聚物也可以通过MIMICSES技术来微结构化。2.微热模塑法制备高聚物球面微透镜阵列微透镜和微透镜阵列具有重要的光学性能,广泛用于很多领域。利用材料在液态或熔融态时其表面自由能会不断地减小直至最低从而达到最稳定的状态这一特性,用软刻蚀技术中的微热模塑技术成功制备了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和PS的微半球体阵列结构,光学聚光成像测试验证了PS和PMMA的微半球体阵列结构具有良好的光学成像功能,可以作为微透镜阵列使用。该技术简捷有效、成本低、精确度高、适用于大多数热塑性高聚物,它为球面微透镜阵列的制备提供了一种新的途径,有望用于昆虫复眼的生物仿生。3.微接触印刷技术制备高分子微阵列图案用十二烷基三氯硅烷（OTS）做“墨水”,通过微接触印刷技术将亲水性硅片表面组装成由亲水微区和疏水微区相间组成的微反应器阵列,将高分子反应体系（甲基丙烯酸甲酯+苯酚）引入到微反应器阵列内进行紫外光聚合,从而制备了图案化的PMMA微六角体阵列。研究结果表明微聚合反应是在疏水性的OTS微区内进行的,这完全符合（甲基丙烯酸甲酯+苯酚）的疏水去润特性;同时还发现微阵列内PMMA颗粒的形貌和大小与反应体系的组成有关。这种直接由高分子单体制备高分子微颗粒阵列是一种新的高分子微/纳米图案化技术,也为制备不同晶态的高分子微颗粒提供了一种新的研究途径。4.制备高分子链微观模型（1）分别用毛细微模塑技术和磁场自组装技术制备了单个的线型PS微球链,对各自的成链机理、成链条件以及链长的可控制性做了相关研究,发现磁场自组装技术更简捷有效。（2）分别采用加热软化和添加中间连接剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）两种途径将微球链上前后仅是物理相邻的PS微球粘接起来,研究结果发现:加热软化粘接起来的PS微球链极其脆弱,易断裂并散落开来,稳定性很差,而且不能够弯曲,呈现出明显的刚性特征,我们称之为“刚性高分子链”;由PVP粘接起来的线型PS微球链有一定的柔性和稳定性,我们称之为“柔性高分子链”,并将其作为真实高分子链的微观模型进行下一步的亚微观模拟工作。5.高分子链凝聚过程的亚微观模拟将PS微球视作高分子链的结构单元,将PVP粘接起来的线型PS微球链当作是真实高分子链的微观模型,通过溶剂挥发的途径分别对不同构型“高分子链”的凝聚过程进行亚微观模拟,观察到了不同条件下“高分子链”的凝聚过程和最终凝聚态,实验结果与已有的理论有一定程度的吻合。希望该工作能够抛砖引玉,为高分子凝聚态物理的研究工作提供一个新的研究思路。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 软刻蚀技术概述
• 1.2.1 软刻蚀技术的由来
• 1.2.2 软刻蚀技术的核心元件
• 1.2.3 软刻蚀技术家族成员
• 1.2.4 软刻蚀技术的研究现状
• 1.2.5 软刻蚀技术的优越性和局限性
• 1.2.6 软刻蚀技术的实际应用
• 1.2.7 本实验室对软刻蚀技术的研究
• 1.3 本论文的研究内容和结构安排
• 参考文献
• 第2章 溶胀弹性印章的毛细微模塑
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验器材
• 2.2.2 制备溶胀了的PDMS弹性印章
• 2.2.3 盖玻片的处理
• 2.2.4 MIMIC操作
• 2.2.5 样品表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PS微方格阵列
• 2.3.2 溶胀弹性印章的MIMIC机理分析
• 2.3.3 有趣的PS微阵列结构
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第3章 微热模塑法制备高聚物球面微透镜阵列
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验器材
• 3.2.2 载玻片的洁净处理
• 3.2.3 制备PDMS弹性印章
• 3.2.4 微热模塑法制备高聚物球面微透镜阵列
• 3.2.5 样品表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PMMA微透镜阵列
• 3.3.2 PS微透镜阵列
• 3.3.3 高聚物微透镜阵列的聚光测试
• 3.3.4 影响微透镜阵列质量的关键因素
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第4章 微接触印刷技术制备高分子微阵列结构
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验器材
• 4.2.2 制备PDMS弹性印章
• 4.2.3 硅片的亲水处理
• 4.2.4 制造微反应器阵列
• 4.2.5 微聚合反应
• 4.2.6 样品表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 PMMA微六角形阵列结构
• 4.3.2 PMMA微阵列结构的厚度
• 4.3.3 PMMA微阵列结构内PMMA的形貌
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 毛细微模塑技术组装单个的线型微球链
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验器材
• 5.2.2 载玻片的处理
• 5.2.3 制备PDMS弹性印章
• 5.2.4 PS微球的毛细微模塑
• 5.2.5 样品表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 MIMIC技术制备的线型PS微球链
• 5.3.2 PS微球链的形成过程和机理
• 5.3.3 MIMIC基本原理分析
• 5.3.4 影响微球链形成的因素
• 5.3.5 MIMIC技术组装线型微球链的不稳定性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第6章 磁场技术组装直线型微球链
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验器材
• 6.2.2 载玻片和盖玻片的洁净处理
• 6.2.3 磁性纳米粒子的制备
• 6.2.4 磁性聚苯乙烯微球的制备
• 6.2.5 制备PDMS间隔薄膜
• 6.2.6 磁性PS微球在磁场下的自组装
• 6.2.7 样品表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 磁性PS微球
• 3O₄纳米粒子链'>6.3.2 磁性Fe₃O₄纳米粒子链
• 6.3.3 直线型磁性PS微球链
• 6.3.4 磁场下线型PS微球链的形成过程
• 6.3.5 “错位”线型PS微球链
• 6.3.6 磁场下线型微球链的形成机理
• 6.3.7 磁场的模板作用
• 6.3.8 磁性PS微球链链长的研究
• 6.3.9 磁性PS微球的磁场自组装与高分子缩聚反应
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第7章 高分子链的微观模型
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 实验器材
• 7.2.2 载玻片和盖玻片的预处理
• 7.2.3 PDMS弹性印章和弹性薄膜的制备
• 7.2.4 加热软化粘接PS微球
• 7.2.5 添加中间连接剂粘接PS微球
• 7.2.6 样品表征
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 加热软化粘接
• 7.3.2 中间连接剂的物理吸附粘接
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第8章 高分子链凝聚过程的亚微观模拟
• 8.1 引言
• 8.2 实验部分
• 8.2.1 实验器材
• 8.2.2 载玻片和盖玻片的预处理
• 8.2.3 PDMS弹性薄膜的制备
• 8.2.4 “高分子链”的亚微观模拟
• 8.2.5 样品表征
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 无规线型“高分子链”的慢速凝聚
• 8.3.2 无规线型“高分子链”的快速凝聚
• 8.3.3 直线型“高分子链”的慢速凝聚
• 8.3.4 直线型“高分子链”的快速凝聚
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 论文总结
• 单位符号说明
• 缩写符号说明
• 在读期间发表的学术论文
• 在读期间已经投稿的文章
• 致谢