挤出滚压法制备聚合物微结构成型技术的开发与研究

论文摘要

本论文致力于结合单螺杆精密挤出成型和滚轮微压印成型来制作聚合物微结构新技术的研究与开发。利用单螺杆挤出成型制造所需的光学聚合物薄板,当聚合物薄板还在高温时,让其直接进入滚轮微压印设备,把滚轮上的微结构转印至聚合物薄板表面上。本研究自行开发组立出一套新型的挤出滚轮微压印系统,通过设计并开发挤出模具与滚轮微压印设备,最终证实本系统可用于微结构大量连续地转印。此技术可以达到roll-to-roll快速大量连续地进行聚合物微结构制品的复制生产,具有工艺过程简易、高效率及大面积复制等优势,是一种极具潜力的微结构成型技术。本研究所开发的滚轮微压印设备,其滚轮直径为Φ64 mm,长度为125mm,驱动滚轮转速范围为0～30 rpm。金属微结构滚轮模具采用平板包覆法制作,微结构为周期性分布的微孔结构。挤出机机头采用衣架型机头,挤出口膜宽度为200 mm,厚度为1 mm。采用自行组建的挤出滚压系统进行试验,从机头挤出来的聚合物薄板直接进入到滚轮组中,研究发现当聚丙烯（PP）薄板进入滚轮组时其表面温度仍处于材料的熔点（Tm）附近。在适当地工艺条件下,微结构经光学显微镜与3D影像测量仪观测证实可成功转印至聚合物薄板表面上。本研究还探讨了机头温度、驱动滚轮转速、压力等工艺参数对微结构成型性的影响。研究结果表明,驱动滚轮转速越快,聚合物薄板表面微结构的成型性会变差；然而当滚轮压力越大、机头温度越高时,微结构的成型性会变好。挤出滚压目前得到的最佳的成型工艺参数为机头温度210℃、驱动滚轮转速1.5rpm、压力8200 N。这时所制备出的聚合物微透镜阵列直径均匀性与高度转写率都极佳。使用聚碳酸酯（PC）和聚丙烯（PP）两种聚合物来探讨材料及微结构对聚合物薄板光学性质的影响。研究结果表明,聚碳酸脂（PC）和聚丙烯（PP）所制作的扩散板都可对光线产生扩散作用,但聚碳酸酯（PC）的扩散作用明显好于聚丙烯（PP）；当扩散板表面带有微结构时,其对光束的扩散作用则会显著提高,但扩散板的雾度会增加,透光率则会下降；微结构对扩散板光学性能的影响不仅与其尺寸大小有关,而且与微结构的分布也有着很大的关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 微结构元件量产开发的迫切性
• 1.2 微结构复制成型相关技术
• 1.2.1 微注射成型
• 1.2.2 微固化成型
• 1.2.3 微压印成型
• 1.3 滚轮压印复制成型方法
• 1.3.1 滚轮应用于软微影
• 1.3.2 滚轮应用于UV固化微成型
• 1.3.3 滚轮应用于热压微成型
• 1.3.4 滚轮复制微结构的问题
• 1.4 微结构滚轮的制作
• 1.5 整体回顾总结与研究创新
• 第二章 滚轮微压印设备的设计开发
• 2.1 前言
• 2.2 薄板挤出成型模具
• 2.3 滚轮微压印设备的设计
• 2.3.1 滚压设备的机身设计
• 2.3.2 滚轮组的设计
• 2.3.3 压力与位移机构设计
• 2.3.4 速度控制系统
• 2.3.5 温度控制系统
• 2.4 整体实验设备和实验介绍
• 2.5 本章小结
• 第三章 滚轮微结构模具的制作
• 3.1. 前言
• 3.2 微结构模具制作方法
• 3.2.1 化学腐蚀法
• 3.2.2 钢球冲压法
• 3.2.3 微铣削法
• 3.3 微结构滚轮制作方法
• 3.3.1 氩弧焊接法
• 3.3.2 锡焊
• 3.4 测量仪器
• 3.4.1 红外热像仪
• 3.4.2 螺旋千分尺
• 3.4.3 光学显微镜
• 3.4.4 3D影像测量仪
• 3.4.5 透光率/雾度测定仪
• 3.5 本章小结
• 第四章 结合聚合物薄板挤出与滚轮微压印的技术开发
• 4.1 前言
• 4.2 实验规划
• 4.2.1 挤出滚压法制作成型工艺
• 4.2.2 微结构滚轮模具介绍
• 4.2.3 挤出成型塑料介绍
• 4.3 挤出滚压微结构薄板初步观察
• 4.3.1 实验设置
• 4.3.2 图形观察与结果讨论
• 4.4 挤出滚压过程中聚合物温度的变化趋势
• 4.5 工艺参数对微结构转写高度的影响
• 4.6 微透镜阵列直径与高度的复制均匀性
• 4.7 本章小结
• 第五章 扩散板的制作及光学性能
• 5.1 前言
• 5.2 扩散板的制作
• 5.3 扩散板的形貌测试与表征
• 5.4 扩散板的光学性能
• 5.4.1 透光率与雾度
• 5.4.2 照度均匀度
• 5.4.3 光扩散性
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与未来研究方向
• 6.1 结论
• 6.2 未来研究方向
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的论文
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书