基于辊对辊挤出涂布工艺的纳米结构制造

Murthy, S., Matschuk, M., Huang, Q., Mandsberg, N. K., Feidenhans’l, N. A., Johansen, P., Christensen, L., Pranov, H., Kofod, G., Pedersen, H. C., Hassager, O. and Taboryski, R. (2015), Fabrication of Nanostructures by Roll-to-Roll Extrusion Coating. Adv. Eng. Mater.. doi: 10.1002/adem.201500347

adem201500347本文的作者展示了一种全新的高速辊对辊加工过程,用于大面积制造具有纳米和微米结构的塑料膜。对于尺寸在100纳米以下的纳米结构的复制,实际线速度可达60米/分。该工艺有可能促进纳米材料在广泛领域内的集成应用,包括光学、工艺、功能表面及其相关设备。潜在的应用甚至包括用于光伏、热电、电活、电储等领域的先进材料的注塑成型,因为纳米结构通常可以改善材料的性能。 该工艺称为辊对辊挤出涂布(在包装工业界通常叫做共挤出),被广泛地用于光滑高分子膜的生产,但此前尚未用于纳米结构的复制。该工艺的优点是可直接在广泛范围内选用商业挤出机、现成的挤出级高分子、功能性添加剂、以及具有良好扩散阻挡性能的聚合物材料,并且该工艺在总体上已很成熟。在辊对辊挤出涂布过程中,高分子熔体从扁平口模中挤出,形成熔体帘,而后在空气中拉伸,最后层压到载体膜上。层压过程是熔体帘在冷却辊和橡胶对辊中挤压时进行的。冷却辊表面贴有纳米结构的金属片,金属片上的浮雕结构可在层压时复制到塑料膜上。本文已证实,对于典型线宽在100到400纳米间的纳米结构,在辊高速运转、线速度达到60米/分、并且冷却辊的温度达到70摄氏度的条件下,用聚丙烯进行复制可达最佳效果。而聚乙烯、聚苯乙烯等普通高分子则无法复制该纳米结构。但线宽和深度大于约400纳米的结构对材料的要求却并不苛刻, 可在广泛范围内选用材料。对于此类微米结构,作者发现工艺参数需针对各种图案进行单独优化,这表明进入浮雕中的粘弹性流体起了更加重要的作用。