一种基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法及应用

本发明涉及直写印刷，尤其涉及一种基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、目前的凹陷微结构制造技术正在发展，但由于目前制备凹陷微结构的方法存在可操控性低、成本较高、环保性差等缺点，缺乏有效地在软材料内部制造图形凹陷微结构的方法，凹陷微结构的发展速度受到阻碍的弊端越来越明显。

3、现有的制备微结构的方法有蚀刻、掩模、印刷等，通常需要复杂的设备或操作方法才能实现，例如，掩模的方法每次修改程序就需要重新做光刻板，不同程序不能同时生产，周期长；蚀刻步骤复杂且不能保证均一性等。且这些微结构制备方法中的掩模和曝光刻蚀等过程，成本高且极易产生污染。这些传统的印刷方式由于过程复杂、精度低、可操控性较差等限制，逐渐不能满足现代化发展的需求。

4、因此，以一种低成本、高效率且灵活的方式，实现具有可控形态和高分辨率的表面凹陷微结构是具有重要研究意义的。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提出了一种基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，利用粘弹性基底与易于去除的牺牲性墨水，基于动态限域进行直写印刷，实现图案化的微结构的制备。

2、一方面，一种基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，其包括如下步骤：

3、s1：制备粘弹性基底：在支撑材料上涂布聚合物，预固化后形成粘弹性基底；

4、s2：制备表面具有凹陷微结构基底：采用牺牲性墨水，在粘弹性基底上进行直写印刷，得到表面具有凹陷微结构的柔性材料；

5、所述聚合物具有粘弹性；

6、所述牺牲性墨水为不与粘弹性基底混溶、具有剪切变稀特性以及符合直写印刷条件的溶液。

7、另一方面，上述基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法得到的柔性凹陷微结构表面在微通道、微流控、毛细力粘附、药物释放、防污表面、柔性传感器、电致发光领域中的应用；

8、优选的，在柔性传感器、电致发光领域中的应用为：所述柔性凹陷微结构表面作为模板，制备具有凸起微结构的表面，并将其应用于柔性传感器、电致发光领域；

9、优选的，在毛细力粘度、药物释放领域中的应用为：利用柔性凹陷微结构表面的毛细力作用于流体，并将其应用于毛细力粘附、药物释放领域；进一步优选为，所述流体包括空气、液体。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

11、本发明以预固化的粘弹性材料为打印基底，通过在粘弹性基底表面直写印刷不与基底混溶的牺牲性墨水的方式制备图案化凹陷微结构。通过控制粘弹性材料的预固化程度、改变牺牲性墨水的浓度，以及控制直写印刷条件，提高印刷精度，保证微结构成品质量，得到具有可控凹陷微结构的图案化表面。本发明通过直写印刷的方式将墨水直接转移在基底上，墨水在基底上进行浸润沉积，形成所需要的凹陷微结构，具有简单便捷，速度快、效率高、成本低廉、绿色环保的特点，还可避免掩模和曝光刻蚀等过程中产生的污染，且通过简单调节喷嘴的内径和挤出压力即可控制挤出墨水的大小，操作简单且灵活，具有较强的可操控性。

12、本发明以与粘弹性基底不混溶、具有剪切变稀特性以及符合直写印刷条件的溶液作为直写印刷墨水，配合粘弹性基底，一方面，有效利用墨水剪切变稀性能，墨水在挤压前表现出较高的粘弹性，通过喷嘴挤出时具有良好的剪切减薄特性，便于挤出，挤出的一段墨水恢复高粘弹性，沉积在粘弹性基底上能够保持较好的形状逼真度，从而加强印刷逼真度；即本发明解决了常规牺牲性墨水粘度不易控制而导致的墨迹不均匀、印刷逼真度差的缺陷，提高了直写印刷精度；另一方面，本发明的墨水采用合适的浓度确保其具有合适的粘度和表面张力，当墨水沉积在基底上时，表现出较高的粘度，墨水的行为主要由表面张力所支配，在墨水浓度固定时，其以固定的三相接触角沉积在基底上，且墨水不会与基底接触时就完全嵌入，表现出更高的稳定性；同时，由于基底的粘弹性对墨水的铺展起到抑制作用，且墨水与基底表面接触的部位对称分布的，墨水沉积后，随着墨水中溶剂的不断挥发，其尺寸逐渐减小，配合基底对其的抑制作用，进一步缩小了墨水的尺寸(即，凹陷微结构的尺寸)，使得凹陷微结构的尺寸远低于喷嘴直径，提高了直写印刷精度；第三方面，基底的预固化程度影响墨水沉积深度，当基底达到一定的预固化程度时，墨水会在一定时间内沉积到相应的位置，一旦到达固定位置，墨水就不再下沉，粘弹性基底完全固化后，去除墨水便得到具有图案化凹陷微结构的柔性基底。

13、聚二甲基硅氧烷pdms是一种低成本、无毒性材料，具有良好的拉伸性能、较强的化学稳定性和较高的光学透光率和生物相容性，是作为基体的理想材料。本发明以预固化的pdms为粘弹性基底，并控制混合物的预固化程度，当墨水挤出至基底时，粘弹性基底能对墨水的铺展起到抑制作用，使墨水保持原有形状，避免出现常规技术中基底无法约束墨迹铺展的问题；且粘弹性基底具有良好的粘弹性使墨水在一定时间内沉积到固定深度，以有效控制微结构的打印深度，不会出现常规技术中墨水沉积深度不足的问题，提高了凹陷微结构成品质量。

技术特征：

1.一种基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

2.如权利要求1所述基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，其特征在于，所述支撑材料选自金属板、塑料板、复合材料板、高分子膜。

3.如权利要求1所述基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，其特征在于，所述聚合物的厚度大于直写印刷时喷嘴的直径。

4.如权利要求1所述基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，其特征在于，所述预固化为的固化温度为70℃-80℃，固化时间为5-15min，优选为70℃，固化8-10min。

5.如权利要求1所述基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，其特征在于，所述s2具体包括以下步骤：采用牺牲性墨水，在粘弹性基底表面进行直写印刷，待墨水在粘弹性基底表面不再沉积后，完全固化粘弹性基底，然后去除牺牲性墨水，得到表面具有凹陷微结构形态的柔性基底。

6.如权利要求1所述基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，其特征在于，所述直写印刷中，喷嘴直径为100-200μm，优选为100μm，调节气压范围为8-10psi。

7.如权利要求1所述基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，其特征在于，所述聚合物包括聚乙烯、聚异乙烯、聚苯乙烯、增塑聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂、天然橡胶或聚二甲基硅氧烷。

8.如权利要求7所述基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，其特征在于，当聚合物为聚二甲基硅氧烷时，其具体为聚二甲基硅氧烷前驱体与固化剂组成的混合物，聚二甲基硅氧烷前驱体与固化剂的质量比为5-15：1，优选为10：1；

9.如权利要求8所述基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯聚合度为1750±50，所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇与水的质量比为1：10-15，优选为1：13；

10.权利要求1-9任一项所述基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法得到的柔性凹陷微结构表面在微通道、微流控、毛细力粘附、药物释放、防污表面、柔性传感器、电致发光领域中的应用；

技术总结本发明提供了一种基于直写印刷柔性凹陷微结构表面的制备方法，涉及直写印刷技术领域，包括：在支撑材料上涂布聚合物，预固化后形成粘弹性基底；采用牺牲性墨水，在粘弹性基底上进行直写印刷，得到表面具有凹陷微结构的柔性材料。本发明以预固化的粘弹性材料为打印基底，以不与粘弹性基底混溶、具有剪切变稀特性以及符合直写印刷条件的溶液作为直写印刷墨水，配合直写印刷技术制备图案化微结构，提高印刷精度，保证微结构成品质量，得到具有可控微结构的图案化表面，具有简单便捷，速度快、效率高、成本低廉、绿色环保的特点，还可避免掩模和曝光刻蚀等过程中产生的污染，且通过调节喷嘴的内径和挤出压力即可控制挤出墨水的大小，操作简单且灵活，具有较强的可操控性。技术研发人员：孙加振,马梦迪,孙锐受保护的技术使用者：齐鲁工业大学技术研发日：技术公布日：2024/1/12