CN1832852B - 制造精密微观结构的方法和装置及用于制造该结构的聚合物模具 - Google Patents

制造精密微观结构的方法和装置及用于制造该结构的聚合物模具 Download PDF

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Abstract

提供一种有精确复制能力的聚合物膜的制造方法和装置。把聚合物粉料电沉积在打底的模具表面，接着使粉料固化、成型为膜。最后从模具表面取下该膜。

Description

制造精密微观结构的方法和装置及用于制造该结构的聚合物模具
技术领域
本申请享有美国临时专利申请、序号60/485,268，题目是“制造精密微观结构的方法和装置及用于制造该结构的聚合物模具”的权益。
背景技术
在下列许多行业中已知的制造微观结构和纳米结构产品是相当重要的事。这些行业包括一大批有光学用途的结构单元，诸如双凸透镜、Fresnel透镜、光导向装置、漫射器、定向反光膜、微透镜阵列、亮度增强膜(BEF)以及发光二极管(LED)阵列。其它用途包括：生物医学部件、微射流产品、组织培养介质、微机电部件(MEMS)、微声学材料、化学机械刨床化(Chemical Mechanical Planerization)，燃料电池、以及其它得益于高速、精密、微型制造技术的几何结构，此技术在节省的成本下达到高批量的商品化。
由于模具费用和制造时间的减少，本发明具有新的经济利益。它转变成快速按比例放大和商品化，但也得益于那高于现有技术的制造速度。本发明的材料使用范围也宽于现有技术，包括热塑性和热固性聚合物，或可能层叠别的辅助相，或填充材料如陶瓷、玻璃或金属粉末。在现有技术加工中这种活动余地并不存在或导致明显的装置磨损。本发明超出常用聚合物的狭窄范围，给缩微印刷材料提供耐得住较高使用温度的能力，或使之变成复合聚合物，改善其机、电或光学性能，这对一些最终用途明显有益。
本发明采用一些商业上已知的技术来获得新的成果。
按照本发明，聚合物产品可借助修改通称的粉碎涂布方法依靠聚合物粉料的电沉积来制造。此方法有时叫做无溶剂涂漆或干上漆，无须使用任何液体因而不必考虑有关空气截留问题。粉料从底向上涂布到模具上，不会截留空气，制造速度只受聚合物的熔融时间和固化速率制约。
粉料涂布业承担金属基底的涂布任务是众所周知的，而“低温快速固化”这一重大创新使粉料也可以涂布在温度敏感性基底诸如木料和聚氯乙烯上。两个主要的创新是Rohm and Haas Morton PowderCoatings(MPC)和Dupont Powder Coatings。用于粉料涂布方法的一些典型的聚合物有：丙烯酸类塑料(非常耐天候老化)、环氧树脂(用于管子、办公用具)、环氧聚酯(用于照明器材、架子)、聚酯(用于镶板、汽车配件与庭院设施)、以及硅桐(用于高温用途如栅状烤架)。
撒布粉料的涂布装置是相当精致的，而来自公司(如ITW-Gema和Wagner)的成套装置提供一套把粉料静电涂布到运输带承载的零件上然后固化的自动化装置。特别有价值的是该装置已设计成用于连续带材(如带卷)的涂布。粉料以较高的速率(20～30ft min)涂布到移动钢带[厚50～200μm(0.002″～0.008″)]上然后固化并卷绕在卷筒上。此装置大体上类似于本申请的制造微观结构连续滚柱。
常规的粉料涂层是在300°F和再高一点的温度下热固化的。这可用于金属模具或高熔体温度的聚合物模具的制造方法，而在一些情况下，使用温度稳定性低的聚合物模具有好处。在上述制造方法中，低温粉料涂层就有用处。特别有价值的是最进开发的UV粉料涂层(在低至125～175°F的温度下1～5秒钟固化)。低温固化粉料涂层在下述情况下也有用处：复合不同聚合物层得到的产品具有特定的理、化或光学性能。
粉料的粒径在5～20μm范围内，但可能得到更小的尺寸。获得小粒径的能力对本发明的一些实施方式来说是重要的，因为在一些应用中，需要复制一种用高纵横比或有很小功能外貌的微观结构。在高纵横比外貌的情况下，有凹槽微观结构的模具仅宽10μm、深50μm(纵横比5∶1)，伴生的粉料必须足够小来填充模具的凹槽孔。
发明内容
本发明涉及一种制造精密微观结构、纳米结构的方法和装置及制造聚合物模具的方法。一般认为微观结构是在0.0010英寸(250μm)～0.000393英寸(1μm)范围之内，和纳米结构是在0.00000393英寸(0.001μm)以下。只是为了方便，用于本文中的术语微型结构应视为包括那些要求精密光学形状的小型宏观结构，该结构的尺寸、角度和平面都要精密，诸如立体角反射、发光二极管的抛物面、光导的二面角及光学行业的人已知的其它结构。在一些情况下，对成型一种精密光学形状的复杂模型(较小型微观结构1mm～10mm)，本发明也有很大效用。
本发明的主要目的是提供一种制造有精确复制能力的聚合物膜的方法和装置，由该聚合物膜复制出来的复合模具表面的至少一部分具有微观结构或纳米结构的尺寸。
本发明的另一个目的是提供一种由聚合物层组成的产品，该层表面面积的至少一部分具有光学精密尺寸微观结构的复杂阵列。
本发明的另一个目的是提供一种含有微观结构和纳米结构模型(patterns)的模具成型方法，方法是电沉积热塑性或热固性聚合物层(跟与不跟另一材料合为一体)。
本发明的另一个目的是提供一种连续成型、或用聚合物模具或用金属模具、热塑或热固精密微观结构产品的装置。
本发明的另一个目的是连续成型一种具有精密微观结构和纳米结构的聚合物产品。
本发明的另一个目的是提供一种在有多种硬或软层的聚合物上成型精密微观结构的装置和方法。
本发明的另一个目的是提供多种由市场上买得到而不是常规配方的聚合物层制成的聚合物模具和微观结构产品。
本发明的另一个目的是用贯通孔或通路来成型聚合物精密微观结构。
根据本发明的一个方面，提供一种精确复制复合模具表面的聚合膜的连续制造方法，该模具表面的至少一部分具有微观结构或纳米结构尺寸的预定模型。该方法包括下列步骤：(a)把聚合物粉料连续地电沉积在打底的模具表面上，所述聚合物粉料包括热塑性树脂或热固性树脂，所述模具表面包括微观结构或纳米结构单元的预定模型，所述单元包括凹槽；(b)熔融所述聚合物粉料以产生聚合膜，该聚合膜上形成有与所述模具表面上的复合模型互补的复合模型；和(c)从所述模具表面连续地取下所形成的聚合膜。
优选地，上述方法还可以包括把更加结实且刚性更大的聚合物材料层层压到所述膜上以提供一种其上有复合微观结构或纳米结构的刚性更大的聚合物制品的步骤。
其中所述聚合物粉料可以包括从下列一种或多种材料选择的热塑性树脂：丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚酯、聚氨酯、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和硅酮。
其中所述聚合物粉料可以包括从下列一种或多种材料选择的热固性树脂：功能性环氧、硅酮及UV固化性聚合物。
其中所述聚合物粉料可以包括作为热固性树脂的环氧聚酯。
其中所述聚合物粉料可以主要由热塑性树脂或热固性树脂构成。
其中所述聚合物粉料可以包括从陶瓷、玻璃或金属粉末中的一种或多种选择的一种或多种填充材料。
优选地，上述方法还可以包括设置打底的模具的步骤，所述打底的模具是用一种聚合物材料制成的，所述模具是借助把包括所述聚合物材料的粉料电沉积在带有所需复合模型的基底上而形成的。
其中用来形成所述模具的聚合物粉料的熔点可以高于用来形成所述膜的聚合物材料的熔点。
优选地，所述膜可以是连续制造的第一膜，并且该方法还可以包括把所述第一膜粘附到聚合材料的第二膜上的步骤。
其中所述第二膜可以具有与所述第一膜不同的组成和特性。
其中所述第二膜可以以连续的方式被粘附到所述第一膜上。
其中所述第二膜可以是用比所述第一膜硬的材料制成的。
其中可以在所述连续形成的膜移动时借助电沉积聚合物粉料而将所述第二膜粘附到所述第一膜上，然后固化所述第二膜。
其中所述第一膜的厚度可以在0.001英寸即25μm和0.020英寸即500μm之间，所述第二膜的厚度可以在0.001英寸即25μm和0.020英寸即500μm之间。
其中所述第一膜可以包括UV固化性的硬热塑性塑料，所述第二膜可以包括从聚碳酸酯、丙烯酸类树脂或聚氨酯选择的树脂。
其中可以用带电模具和粉料涂布或者是用涂布刮刀，或通过涂布辊来涂布所述第二膜。
其中所述粉料的粒径可以足够地小以使所述膜通过把该粉料从底向上填充到该模具表面的已图案化的凹槽中而形成，结果事实上避免任何空气的截留。
其中所述粒径的最大尺寸可以不大于约50μm。
其中所述粒径可以在约5～20μm范围内。
其中可以使所述模具表面被配置为在取下的膜上产生贯通孔或通路。
其中所述贯通孔或通路可以通过如下步骤形成：用聚合物粉料仅部分地填充所述凹槽；接着借助把弹性材料层压合到沉积粉料表面，把粉料层压成相当均匀的平面；然后固化粉料以形成所述膜。
其中在熔融步骤之后，可以通过紫外辐射固化树脂。
其中所述膜的厚度可以在0.001英寸(即25μm)和0.020英寸(即500μm)之间。
其中所述模具可以是用一种聚合物材料制成的，该聚合物材料的玻璃化转变温度高于要沉积在所述模具上的聚合物粉料的玻璃化转变温度。
该方法还可以包括把所述膜层压到更厚的柔性背衬材料上，该层压柔性材料可用作模具来成型复合的微观结构表面。
其中所述模具可以以50～100英尺/分钟的速率移动。
其中聚合物粉料可以由聚合处理直接获得。
根据本发明的另一方面，提供一种聚合物膜的连续制造方法，该聚合物膜的至少一个区域具有膜面上下凹凸区的复合预定模型，模型形状至少包括一些小型宏观结构或更小的尺寸。该制造方法包括下列步骤：(a)把聚合物粉料电连续地沉积进入对置的第一和第二模具表面的面对区域中，该区限定要形成的预定符合模型形状；(b)使对置的表面通过固化站区，粉料于该固化站区熔融，接着固化；和(c)从对置的第一和第二模具表面取下固化的膜，该固化的膜具有与所述模型互补的复合表面模型。
其中可以把电沉积粉料涂布到第一模具表面，给粉料加热到能流动的状态，把第二模具表面从其对侧涂布到该熔融粉料上，从而在该膜的相对侧产生复合模型，接着固化，从两模具表面取下该膜。
根据本发明的又一方面，提供一种用于连续生产至少一部分具有复合微观结构或纳米结构模型的膜层的卷的装置。该装置包括：(a)一个在其表面有微观结构或纳米结构模型的模具；(b)把聚合物粉料电沉积到该表面上的装置；(c)实施使该粉料固化、成型为膜的装置，该膜上有想要的微观结构或纳米结构模型；和(d)有助于使该膜从该模具取下的装置。
其中所述模具的材料可以是一种熔点高于在其上成型的膜材料的聚合物。
其中所述模具可以以连续表面的形态通过沉积该粉料的装置，从而在连续的基础上生产所述膜。
该装置还可以包括用于把粉料附加层电沉积到所述膜的装置，和用于使该附加层固化的装置。
该装置还可以包括用于把更加结实且刚性更大的聚合物材料层层压到所述膜上以提供一种其上有复合微观结构或纳米结构的刚性更大的聚合物制品的装置。
该装置还可以包括：一个和该第一模具模型互为互补的附加模具；用于使该附加模具与该电沉积粉料在固化前啮合在一起、借此来生产一种在该膜两侧都有模型的膜层的装置。
总之，提供一种有精确复制能力的聚合物膜的制造方法，由该聚合物膜复制出来的复合模具表面的至少一部分具有微观结构或纳米结构尺寸，该方法包括下列步骤：
(a)把聚合物粉料“电沉积”在打底的模具表面上；
(b)使粉料固化成型为聚合物膜；和
(c)取下聚合物膜。
再概括地说，提供一种连续制造有精确复制能力的聚合物膜料片的装置，由该聚合物膜复制出来的复杂模具表面的至少一部分具有微观结构或纳米结构尺寸，该装置包括：
(a)聚合物粉层“电沉积”在打底的模具表面用的装置；
(b)实施该粉层固化成型为聚合物膜用的装置；和
(c)使该膜更易从模具取下用的装置。
再概括地说，提供一种包括一层聚合物膜的产品，该膜的一部分是光学精密尺寸微观结构复杂阵列的表面面积，其中该产品是通过使贴着模具表面电沉积的粉层成型的，该模具表面划定产品的至少一部分形状。
本发明的一个重要的优点是使聚合物模具作为装置的一部分成型为精密微观结构。由于许多这些聚合物粉特别是UV固化的一种能在低固化温度下沉积、聚合成模具，聚合物模具成为现有技术中金属模具快速、便宜的备选项。
这种聚合物模具具有多种价格和操作方面的优点。借助一种含高玻璃转化聚合物或热固化聚合物的模具制造，完成下列任务是可能的：用US 4,486,363中的方法或一种改进的热压花法，无法花费金钱、时间来制作大滚筒金属模具，来复制低玻璃转化聚合物。
公开了用于制造聚合物模具的装置和方法：通过把聚合物粉层涂布在原微观结构模型上。制造原模型可用一些公认的方法，诸如金刚石车削、划线、深度活性离子蚀刻(DRIE)或提供这种模型的其它技术。原模型或其电铸复制品可用来快速、便宜地制造聚合物复制品，用各行业已知的盖瓦法来装配。这些零件装配成的大模具可与另外公开的装配装置(如冲切和定位部件)一起提供更大的模具用于制造微观结构产品。
也已用图说明，聚合物膜的切片能够粘附到强固的背衬诸如不锈钢或其它合适的基底上，该背衬就会给所得的复合材料补充强度、耐久性以及静电导电性。
另一种制造聚合物模具的方法将是提供一个小型便宜的电铸模芯，借助US 4,486,363或4,601,861中按比例缩小的一种装置来制造任意长度的聚合物模具、甚至造连续滚柱。
再一种制造聚合物模具的方法将是首先制作一个和小传动皮带一样小的模具，然后涂布一层聚合物，该层将产生小模具的复制来提供任意想要长度的模具。
本技术的主要优点之一是，随着粉料的沉积，原模型或模具就从底部填高。用US 4,486,363和4,601,861中的压花法制造聚合物模具时有必要把粘性聚合物(限于热塑性的)从上部向下推，截留方法中的空气。同压花或铸塑技术中察觉的高温聚合物的粘度和表面张力或液体复制比较起来，按照本发明，在填装亚微和纳米级复杂外貌方面，小粒径、特别是亚微和纳米级微粒具有多种优点。
另一个主要优点是聚合物层可由热固性或固化性聚合物制成，这类聚合物有很高的工作温度和尺寸稳定性。
用上面任一方法生产聚合物模具，各种工业来源的聚合物粉料都可用来或单独制造复制零件、或连续制造绕在卷筒上的薄膜。
本发明是常规粉料涂布材料典型成型的一个重大的改进，其中热塑或热固性的聚合物磨成微小粒径，与颜料混合而显色，和其它特设的添加剂以保证粘附到种种另外的基底上。本发明考虑到除掉颜料和增附剂从而给予常规粉料涂布装置机会把纯聚合物粉料电沉积到模具上，粉料能够在应有位置固化，接着从连续薄膜的形式取下。
可根据成品品种要求来挑选市场上买得到或常规配制的聚合物粉料，所提出的要求包括：物理性能、耐化学药品性、耐天候能力、工作温度、折射指数和透光度。
本发明最简单的方式是采用现有技术(US 4,486,363和4,601,861)中的一种丙烯酸类或聚碳酸酯聚合物的粉料，把粉料静电涂布到模具上，使此时固定在聚合物上的复制模型层固化并从模具取下模型层。由于对这两种聚合物的需要，在光学和其它光量控制微观结构领域业已得到确认，它们将属于本发明的优选实施方式之列。
和制造聚合物模具的新型方法一起，本技术制造微观结构产品的主要优点之一是，随着粉料的沉积，模具就从底部填高。现有技术要求聚合物熔融，把所得的高粘液体从上向下推并截留方法中出现的空气，这使其更难达到精密级，而精密级却是小型微观和纳米结构的精密模型要求达到的。
采用粉料层充填模具的另一个主要优点是，微观结构外貌通常呈现在整个产品的小半个横截面，能迅速充满，接着层压到厚背衬上因而不需要熔融和整个基底的成型。一个实例是亮度增强膜(BEF)用于提高笔记本电脑屏幕的亮度效率。此膜通常为0.006″(150μm)厚，具有微观结构其横截面通常为0.005″(12μm)。按照本发明，不需要熔融和0.006″(150μm)聚碳酸酯的再次成型，只要该外貌用聚合物粉料复制、固化，接着层压到聚碳酸酯背衬上。
另一个主要优点是与现有技术相比的涂布速率和固化速率。粉料涂布、特别是连续粉料涂布(如带卷镀锌薄钢板)的典型行业速率可以是每分钟20～30英尺(6～9米)，宽度在8～10英尺(2.4～3米)以内。
另一个优点是，不同的粉料配方可涂布成膜。想要得到微观结构的硬表面时，粉料的初始层可以是尼龙或其它足够硬的材料，继之以按需增加他层。在固化期各层会熔成一体形成硬度梯度。有微观结构模型此时固定的熔合多层膜此时从模具取下。此成层技术对制造微针特别有用，该针的尖端要够硬来刺穿表皮而其末端要有弹性、受力时不致剪断。还能为其它物理性能，诸如弹性系数、线膨胀系数以及定制的化学性能，诸如耐酸、碱性、防湿性或耐溶剂基化学制品性等做同样的事。
再一个优点是，在聚合物层上形成精密贯通孔或微通路的装置，做法是部分填充模具，让微观结构的顶层无覆盖。依靠软聚合物背衬膜来保证填充粉料表面平坦并除掉少量模尖粉料。刚一固化，就可取下聚合物，依靠模具中突出的微观结构让一种精密结构贯通孔或通路成型。此法的另一个优点是让孔道制成如模具结构决定的种种形状诸如圆形、三角形、正方形等以及斜削到任意度数。
又一个优点也是让微观结构成型在刚性基底上。刚用聚合物粉填充模具就可层压到刚性聚合物片材上，接着固化；从而把微观结构模型熔合成更厚的支承构件。此优点的一个实例是把透明的聚合物微棱柱层压、接着熔合到刚性透明背衬的厚片材上。微观结构的典型距离可以是64μm高的微棱柱(0.0025″)熔合到0.375″刚性片材上。所得到的组合就会提供一种定向反光的微棱柱产品，其刚性足以用作预制的路标。通常，US 4,486,363和4,601,861中的微棱柱定向反光片材要先制造胶粘背衬，然后与作为刚性支承构件的铝片贴合。所述的新方法是把微棱柱直接贴到一种聚合物(如聚碳酸酯或另一个透明的耐冲击聚合物；省去粘合与二次加工操作，显著降低费用和制造时间。
本发明的另一个优点是避开须成型粒料和挤塑薄膜而直接从聚合方法取用聚合物粉料。这对那些先形成粉料然后粒料然后挤塑成膜的聚合物(如聚碳酸酯)是特别有利的。至于一些通常不形成粉料的聚合物，有利条件仍然是把聚合物研磨成粉料而不是把粒料挤塑成膜，然后设法复制该膜。
直接从聚合反应器取用粉料的另一个优点是在那些有助于提高光学性能(如整体吸光率和透光系数)的挤塑和注塑方法中不需要添加剂。
附图说明
虽然附图描述了本发明最佳实施例，但它们仅仅是示例，并不作为对本发明范围的限制。可以预知，本技术领域一般技术人员能够根据本发明原理，做出各种变型、修改及进一步的应用而不同于前述示例，但是这些都属于本发明的精神及范围。
图1原模型的棱边简图，当涂布热塑性聚合物粉料并使之固化时，提供一种薄膜，在膜面上有精确复制的原模型；
图1A原模型的棱边简图，当涂布UV固化性热固性聚合物粉料，使之熔化并使之固化时，提供一种薄膜，在膜面上有精确复制为原模型(或模具)；
图2固化热塑性聚合物膜的棱边图，该薄膜从原模型中取下，在膜面上有复制的精密微观结构；
图2A UV固化热固性聚合物膜的视图，该薄膜从原模型中取下，在膜面上有复制的精密微观结构；
图3复制聚合物膜的切下部分的透视图，该膜已做成一条用作连续模具的薄软引带；
图4安装好的模具部分的侧视图，用作滚柱驱动的软引带；
图5装置简图，使长距离的复制聚合物层用作模具；
图6一种现有技术装置的结构的简图，用来做长距离的聚合物膜；
图7装置简图，用于制造连续微观结构产品；
图7A备选装置简图，用于制造连续微观结构产品；
图8装置简图，把微观结构膜的薄层层压成刚性的基底上；
图8A装置简图，把微结构膜的薄层层压到软基底上；
图9装置简图，用于制造一种许多聚合物层构成的连续微观结构产品；
图10图9中不同薄层的放大图；
图11图9中熔为一体的固化薄层的放大图；
图12装置简图，借助精密的贯通孔或通路来制造连续的微观结构产品；
图12A复合层的分解图，该复合层成型为精密贯通孔；
图12B底模层和顶聚合物层剥离的侧视图，显露出带有精密贯通孔的聚合物膜；
图12C带有贯通孔的膜底部平面图，由图12的装置成型的；
图12D图12C中单一贯通孔的放大图；
图12E是在图12、12A和12B的方法和装置中可以使用的模具的放大顶部平面图；
图13装置边缘视图，用于二次加工两侧微观结构产品；
图14装置视图，用于在全部初始电沉积层上增涂粉料涂布层；
图15装置侧视图，用于在初始电沉积层之后涂布厚的粉料涂布层；
图16另一个装置侧视图，用于在初始电沉积层之后涂布厚的粉料涂布层。
具体实施方式
参考图1，展示一种聚合物模具部分的制造方法，包括一个用电沉积镍制成的原模型20，在其表面有典型的双凸面微观结构。为生产这种装置的金属模具或装置在光学工艺中是熟知的。
静电聚焦电子枪21(如Wagner’s Corona PEM-C3 Manual SprayGun)用来涂布一层(0.004″)环氧基445-110-1GREEN粉料23(来自Rohm and Haas Morton Powder Coatings，粒径10μm)。用红外源22(如电或气IR源)在350°F(176℃)经2min，使粉料23熔融、流动，接着固化成聚合物膜24。原模型20可用金属或聚合物制成，只要所涂聚合物在所需固化温度下是尺寸稳定的。使用粉料形成聚合物层比起原模型来的一个主要好处是，当粉料沉积时它从底部填高模型，排除空气截留，这是压花或铸造等现有技术所共有的一个难题。
通常，为保证粉料涂层的粘附，在粉料涂布前，要用增附化学浴对待涂基底做表面处理。不过就这个情况而言，由于目标是熔融、固化、接着以一层在表面24上具有复制模型的薄膜形式取下该聚合物，原模型20的表面处理在粉料涂布前就被省略。而且，由于大多数粉料涂布产品有增附添加剂配方，每个产品必须化验以防它会和原模型或模具分离。在发现妨碍分离方法情况下增附添加剂可有意地从粉料配方中省略。
环氧基445-100-1
Figure GSB00000142907200131
工作得很好但此方法不局限于用这种粉料。许多别的热塑性塑料或热固性聚合物粉料23(来自如Rohmand Haas Morton Powder Coatings或Dupont Powder Coatings)都是适用的。粉料品种、粒径的选择取决于成品的最终应用。市场上买得到的为此应用的粉料涂料的适用性是基于一些因素，包括化学、物理和光学性质，熔点和从模具基底剥离的能力。其中热塑性塑料是聚酯、丙烯酸类塑料、聚氨酯、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和硅酮。其中热固性塑料是环氧塑料、环氧聚酯、及UV固化性配方。
在使用一种由聚合方法直接制成的聚合物粉料方面还有一个没有料到的重大优点是免除在某些精密制造方法中的薄膜挤出，这对聚碳酸酯之类的聚合物特别有利，通常聚碳酸酯是先制成粉末，接着形成切粒，再熔融及压入模头挤出成膜。加之，其它市场上买得到的挤塑级热塑性树脂，通常不用作粉末涂料，诸如聚碳酸酯(来自GE Plastics)或丙烯酸类塑料(来自Ato Fina)能从切粒的形式买进，磨成粉末用于上述的静电涂布。
参考图2，环氧基445-110-1
Figure GSB00000142907200132
固化聚合物膜24，在表面上有双凸面精密微观结构模型25的情况下容易从原模型20中取下。在该表面上已精确地形成以双凸面精密微观结构模型25。而且该分离的薄膜本身可用作模具来复制低熔点粉末。在此情况下，薄膜24的厚度为0.004英寸(100μm)。
取下的聚合物膜24的微观检验显示，在聚合物上有精确复制的双凸面模型25，该聚合物相当柔韧，抗弯曲、易操作，可单独作为模具使用。
参考图1A，聚合物粉23是一种透明的UV固化性产品叫做NX3-9067 Clear(来自Rohm and Haas Morton Powder Coatings)。在此情况下由于UV固化性聚合物23的固化温度只有175°F(79℃)，就使用聚合物原模型20。聚合物原模型20(Auto Haas DR100)是一种抗冲改性PMMA，在其表面上形成一种精密微棱柱结构26。在涂布聚合物粉料23之前，把铝层27蒸气淀积在原模型表面20上，在粉料涂层涂布方法中协助防护静电荷。此外，为此实验，一种为改善聚合物粘附性的基底表面蚀刻的预处理也得以免除。用Wagner Corona
PEM-C3手动喷射枪2A把聚合物粉料23涂布成0.0010″(250μm)厚层。用IR源22把试样加热到175°F(79℃)经2min以熔融聚合物粉，接着由UV源(带600W汞灯33)固化2S。
相同条件对一种在其表面有双凸面微观结构的用镍制成的金属基底也适用。唯一的例外是不需要真空金属化层，因为金属基底本身导电。
参考图2A，在表面上有精密微观结构模型25的情况下，固化聚合物膜24容易与金属化层27一道从原模型20中取下。特别重要的是，从微棱柱形的聚合物原模型取得的UV固化聚合物膜的复制精确性。这种微棱柱如果是在高尺寸公差范围内形成的，就有精密定向反光器的功用。通常，角度公差须保持2弧度或99.9％的所需几何形状，表面光滑度须在1000埃或0.000003″以便精确地起作用。从原模型取下的聚合物膜24上微棱柱结构的检验证实，它是有功能的定向反光器，因而是在它的尺寸公差精确度范围内的。而且，分离的薄膜可用来做随后的复制。
参考图3，固化聚合物膜24的许多部分(图3中9个)带有微观结构模型25，切割、装配成循环软带30用作模具。
参考图4，图3中的聚合物带30相当柔韧，用于由两滚柱41驱动的辊式输送机40。一个优选的实施方式就会把这些部分粘合到一条强力金属或聚合物背衬(如不锈钢或膜42)上以便提高强度和耐用度。
与此装置相似的用作薄膜压花的现有技术或其它装置可包括由此产生的薄膜作为模具，详细公开在US Publication 20030232174(Dec18，2003)，其主题内容编列于此以供参考。
参考图5，另一种方法制造一条需要此种模具的生产装置的很长距离的聚合物模具是，首先制造一个很小的模具，直径或许是12″(30.48cm)或更小一点，用作循环软带30，接着靠从源22涂布聚合物粉料23复制、用来自源22的IR热量或UV辐射来熔融、固化。然后固化膜从模具取下，并卷绕在卷筒28上。
参考图6，再一种方法制造一条长距离的聚合物模具是靠调整现有技术压花装置的小型结构(如US 4,486,363或4,601,861)，这种结构可用来制造长距离微观结构聚合物模具，供本申请中公开的装置使用。挤塑聚合物膜[如GE 0.006″(150μm)聚碳酸酯50]与高熔点运载膜[如0.002″(50μm)PENN51]一道用热辊52加热到425°F(137℃)。许多(图6中4个)加压辊53在150psi(10.5bar)，在辊式输送机40，使聚合物流进金属模具30上的Fresnel模型。热薄膜54此时随着转移到表面的模具模型被冷却区55所固化，从模具31中取下，接着卷绕在卷筒28上。在本发明粉末技术中该压花薄膜可用作打底的模具表面。
参考图7，一种以较前能得到的更高速率来制造微观结构产品的方法包括使用图5或图6中所述的聚合物模具30，有相当长的距离，用于辊式输送机40(或许100英尺或更长一点)这样尺寸的模具就会提供许多粉料涂布区21(图7中3个)来涂布一层聚合物粉料23，和许多固化区22(图7中3个)，来实现50～100ft/min(16～33m/min)的速率。在熔融阶段和最终固化之前的整个期间，许多压平辊29(图7中2个)将调整熔融聚合物的流动速率。接着成品呈分离的柔韧薄膜31的形态取下，然后卷绕在卷筒28上。该装置中的循环速率只受限于：(1)粉料涂布速率；(2)熔融、固化用IR源的长度。用同样长度的模具，UV固化性聚合物会进一步提高固化速率，每小时制造更多产品。
图7A描述一种备选的方法制造精密微观结构产品，该法与现有技术的金属模具装置不同，使用聚合物模具。该机械装置大体上与US4,486,363和4,601,861[工作温度300°F(149℃)，工作压力150psi(10.4bar)，工作速度2ft(61cm)/min]的装置相似。代替原文指示的金属模具，一条软聚合物膜通过如现有技术装置的椭圆流程40移动，用作现有技术装置里的模具30。在0.0060″(150μm)GE聚碳酸酯表面上的Fresnel模型用作椭圆形模具30，把该模型复制在一条来自Klocker型号PR-180-14的0.005″(125μm)PVC膜50上。把聚合物模具30和待复制的0.005″(125μm)PVC膜与一条高熔点运载膜0.002″(50μm)PENN51一道喂入四个加压辊53中的第一个中。用热辊52给全部三条薄膜(30、50和51)加热，同时加压辊53使熔融PVC聚合物环行进入椭圆形模具30上的模型。应该注意，温度150°F(66℃)只够得上使薄膜50熔融，而不能使模具30或运载膜51熔融。
热薄膜54，此时有转印到表面的模型，再次被冷却区55固化，PVC膜50和PENN运载膜51此时一齐作为膜56从模具30取下，接着卷绕在卷筒57上。
薄膜57的微观检验证明，Fresnel模槽的复制令人满意。用同一机械装置和工况，用模槽线[0.001″(25μm)深]给0.006″(150μm)聚砜膜划线并用作模具在Auto Haas DR100耐冲改性PMMA上复制模型。微观检验证明，模槽模型的复制令人满意。因此查明，高熔点聚合物模具诸如聚碳酸酯、聚砜等可用作模具，使低熔点基底诸如PVC、丙烯酸和其它低熔点聚合物精确地形成复制品。
参考图8，刚性基底诸如0.375″(9.5mm)聚碳酸酯片材60可在辊61处层压到由第一IR区21预热的熔融微观结构膜62上，接着由第二IR区22固化。附有微观结构模型的固化聚合物然后就成为成品复合材料63的主要部分。
参考图8A，软基底50诸如0.006″(150μm)聚碳酸酯50可在辊61处层压到由IR区22预热的熔融微观结构膜52上。附有微观结构模型的固化聚合物成为成品复合材料63的主要部分。
参考图9，一种用不同聚合物层组成的连续微观结构产品制法的完成是借助涂布枪70用于第一层76，该层由IR加热区71固化。涂布枪72涂布第二层77，由IR加热区73固化。涂布枪74涂布下一层78，该层由IR固化区75固化等等，直到所有各层都被涂布和固化。然后把成品从模具30取下，并卷绕在卷筒79上。
图10为图9中的不同聚合物层的放大侧视图。涂布枪70把粉料76a的第一层涂布到模具30上。第一层76在区71通过IR或UV熔融、固化。用涂布枪72涂布第二层77a，该层在IR或UV区73熔融、固化。第三层78a由涂布枪74涂布，该层在IR或UV区75熔融、固化。
参考图11，各薄层(76、77、78)已熔为一体并从模具30呈一个整体薄膜的形态取下。
图12用图说明制造一种有贯通孔或通路的精密微观结构的优选方法：用涂布枪58把聚合物59a粉层涂布到模具30上使该层达到某预定高度，这样就在IR固化区22熔融之后只是部分地填充模具深度以形成聚合物熔体59。聚乙烯、聚酯或其同类橡胶的软聚合物片材161接着贴到模具30的表面并压入模具30使软聚合物片材161均匀地达到某一特定高度162，最后在UV或IR区33固化。然后可把片材161从那个有通路的薄膜159上取下、分开。模具突出部65的形状将是该通路形状的决定因素。
图12A为图12的侧视图，用图说明使聚合物59a部分地填充模具30，模具突出部透入聚合物膜161的软顶层。
图12B为图12A的侧视图，固化的聚合物膜159，冷却之后，下面剥去模具部分30，上面剥去软顶层61。所得到的聚合物膜层159显示，贯通孔67精确地塑造成一个复制膜159的永久性外貌。每个贯通孔67由顶部周界67a和底部周界67b限定。
图12C为具有按照图12、图12A和图12B所示的方法和装置制作的贯通孔67的膜159的底部平面图。可以看到每个贯通孔由较大的底部周界67b和较小的顶部周界67a限定。
图12D为图12C中所示贯通孔67的放大底部透射图。
图12E为具有可用于图12、12A和12B的方法和装置的凸起物65的模型的模具30的放大顶部平面图。
图13为装置侧视图，用图说明制造两侧微观结构产品的生产率。该装置由一台双带压机组成，该机类似于德国Hymmen Gm6H ofBielefeld销售的ISR和HPL型压机。这些是连续加压、高速、高压加工机械。把两条输送带262和265合并为一体，单独的涂布枪263和260，把聚合物粉料电沉积在各条输送带上，接着借助一条较厚的衬底膜266层压在上带和下带267之间，使沉积在各带上的聚合物粉料熔封。在此实例中，成品是卷绕在卷筒269上的两侧微观结构膜268。
此型双带压机能够高速[高达30～60ft/min(10～20m/min)或更高一点]加热然后冷却聚合物基底[厚达0.25″(2.54cm)]。装置诸如所公开的双带压机的加工温度可以高达662°F(350℃)，加工压力可以高达1430psi(100bar)。扩展到输送带整个表面高温和高压的结合，使这一装置特别适于用作连续地制造微观结构和纳米结构聚合物层的生产手段。
图14为由带正电的屏蔽板271组成的装置的侧视图，此装置用来促进粉料272实现对待涂基底273表面实现高速碰撞。粉料涂布行业已知，当粉料沉积到0.005″(125μm)～0.006″(150μm)或更多一点时，涂层的绝缘性将会使其增厚能力减弱，因为静电荷减少。在涂布初始的0.005″(125μm)～0.006″(150μm)并且固化以后，就可借助加速装置来积累厚层。如果初始的涂层是热的，就帮助后继层粘附到初始层上，本技术特别有效。
图15为机械装置侧视图，用来把厚层涂盖在初始的电沉积粉料涂层上。重力给料器或类似器件80把粉料涂层81涂盖在初始粉料涂层82的上面。计量刮刀83把粉料以一定的控制厚度84涂布，接着在IR或UV区85固化。这两层熔为一体然后从模具86取下。
在初始层已涂盖上“微观外貌”并固化后，此类粉料涂布装置就用来涂布聚合物厚层。由于初始电沉积层此时已精确地复制微观结构或纳米结构，涂料余额就可涂布在“宏观截面”并熔合到初始层上。这样，在必要时厚度能够达到几毫米，大于采用标准粉料涂布技术所得的额定值。
图16为备选的机械装置侧视图，也用来把厚层涂盖在初始的电沉积粉料涂层上。在此情况下，又用给料器80把粉料涂层81涂盖在初始粉料涂层82的上面。计量辊87把粉料以一定的控制厚度84涂布，接着在IR或UV区85固化。
尽管对本发明，与优选的实施方式一起，已经做了描述，但本行业的人显然可以借助本发明，在本发明的领域与范围内实行本发明的其它目的和进一步的改进。
本发明，就其各种实施方式和公开形式而论，很好地适应所宣称的目的和优点和其它任务的达成。这些公开的详情不应被看作是对本发明的限制，除非这些详情能够当作后附权利要求书的一部分。本发明的各个具体实施方式其中对专项所有权或专利权提出要求如下。

Claims (36)

1.一种精确复制复合模具表面的聚合膜的连续制造方法，该模具表面的至少一部分具有微观结构或纳米结构尺寸的预定模型，该方法包括下列步骤：
(a)把聚合物粉料连续地电沉积在打底的模具表面上，所述聚合物粉料包括热塑性树脂或热固性树脂，所述模具表面包括微观结构或纳米结构单元的预定模型，所述单元包括凹槽；
(b)熔融所述聚合物粉料以产生聚合膜，该聚合膜上形成有与所述模具表面上的复合模型互补的复合模型；和
(c)从所述模具表面连续地取下所形成的聚合膜。
2.根据权利要求1的方法，还包括把更加结实且刚性更大的聚合物材料层层压到所述膜上以提供一种其上有复合微观结构或纳米结构的刚性更大的聚合物制品的步骤。
3.根据权利要求1的方法，其中所述聚合物粉料包括从下列一种或多种材料选择的热塑性树脂：丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚酯、聚氨酯、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和硅酮。
4.根据权利要求1的方法，其中所述聚合物粉料包括从下列一种或多种材料选择的热固性树脂：功能性环氧、硅酮及UV固化性聚合物。
5.根据权利要求1的方法，其中所述聚合物粉料包括作为热固性树脂的环氧聚酯。
6.根据权利要求1的方法，其中所述聚合物粉料主要由热塑性树脂或热固性树脂构成。
7.根据权利要求1的方法，其中所述聚合物粉料包括从陶瓷、玻璃或金属粉末中的一种或多种选择的一种或多种填充材料。
8.根据权利要求1的方法，还包括设置打底的模具的步骤，所述打底的模具是用一种聚合物材料制成的，所述模具是借助把包括所述聚合物材料的粉料电沉积在带有所需复合模型的基底上而形成的。
9.根据权利要求8的方法，其中用来形成所述模具的聚合物粉料的熔点高于用来形成所述膜的聚合物材料的熔点。
10.根据权利要求1的方法，其中所述膜是连续制造的第一膜，并且该方法还包括把所述第一膜粘附到聚合材料的第二膜上的步骤。
11.根据权利要求10的方法，其中所述第二膜具有与所述第一膜不同的组成和特性。
12.根据权利要求10的方法，其中所述第二膜以连续的方式被粘附到所述第一膜上。
13.根据权利要求10的方法，其中所述第二膜是用比所述第一膜硬的材料制成的。
14.根据权利要求10的方法，其中在所述连续形成的膜移动时借助电沉积聚合物粉料而将所述第二膜粘附到所述第一膜上，然后固化所述第二膜。
15.根据权利要求14的方法，其中所述第一膜的厚度在0.001英寸即25μm和0.020英寸即500μm之间，所述第二膜的厚度在0.001英寸即25μm和0.020英寸即500μm之间。
16.根据权利要求10的方法，其中所述第一膜包括UV固化性的硬热塑性塑料，所述第二膜包括从聚碳酸酯、丙烯酸类树脂或聚氨酯选择的树脂。
17.根据权利要求10的方法，其中用带电模具和粉料涂布或者是用涂布刮刀，或通过涂布辊来涂布所述第二膜。
18.根据权利要求1的方法，其中所述粉料的粒径足够地小以使所述膜通过把该粉料从底向上填充到该模具表面的已图案化的凹槽中而形成，结果事实上避免任何空气的截留。
19.根据权利要求18的方法，其中所述粒径的最大尺寸不大于约50μm。
20.根据权利要求18的方法，其中所述粒径在约5～20μm范围内。
21.根据权利要求1的方法，其中使所述模具表面被配置为在取下的膜上产生贯通孔或通路。
22.根据权利要求21的方法，其中所述贯通孔或通路通过如下步骤形成：用聚合物粉料仅部分地填充所述凹槽；接着借助把弹性材料层压合到沉积粉料表面，把粉料层压成相当均匀的平面；然后固化粉料以形成所述膜。
23.根据权利要求1的方法，其中在熔融步骤之后，通过紫外辐射固化树脂。
24.根据权利要求1的方法，其中所述膜的厚度在0.001英寸即25μm和0.020英寸即500μm之间。
25.根据权利要求1的方法，其中所述模具是用一种聚合物材料制成的，该聚合物材料的玻璃化转变温度高于要沉积在所述模具上的聚合物粉料的玻璃化转变温度。
26.根据权利要求1的方法，该方法还包括把所述膜层压到更厚的柔性背衬材料上，该层压柔性材料可用作模具来成型复合的微观结构表面。
27.根据权利要求1的方法，其中所述模具以50～100英尺/分钟的速率移动。
28.根据权利要求1的方法，其中聚合物粉料由聚合处理直接获得。
29.一种聚合物膜的连续制造方法，该聚合物膜的至少一个区域具有膜面上下凹凸区的复合预定模型，模型形状至少包括一些小型宏观结构或更小的尺寸，该制造方法包括下列步骤：
(a)把聚合物粉料电连续地沉积进入对置的第一和第二模具表面的面对区域中，该区限定要形成的预定符合模型形状；
(b)使对置的表面通过固化站区，粉料于该固化站区熔融，接着固化；和
(c)从对置的第一和第二模具表面取下固化的膜，该固化的膜具有与所述模型互补的复合表面模型。
30.根据权利要求29的方法，其中把电沉积粉料涂布到第一模具表面，给粉料加热到能流动的状态，把第二模具表面从其对侧涂布到该熔融粉料上，从而在该膜的相对侧产生复合模型，接着固化，从两模具表面取下该膜。
31.一种用于连续生产至少一部分具有复合微观结构或纳米结构模型的膜层的卷的装置，该装置包括：
(a)一个在其表面有微观结构或纳米结构模型的模具；
(b)把聚合物粉料电沉积到该表面上的装置；
(c)实施使该粉料固化、成型为膜的装置，该膜上有想要的微观结构或纳米结构模型；和
(d)有助于使该膜从该模具取下的装置。
32.根据权利要求31的装置，其中所述模具的材料是一种熔点高于在其上成型的膜材料的聚合物。
33.根据权利要求31的装置，其中所述模具以连续表面的形态通过沉积该粉料的装置，从而在连续的基础上生产所述膜。
34.根据权利要求33的装置，该装置还包括用于把粉料附加层电沉积到所述膜的装置，和用于使该附加层固化的装置。
35.根据权利要求33的装置，该装置还包括用于把更加结实且刚性更大的聚合物材料层层压到所述膜上以提供一种其上有复合微观结构或纳米结构的刚性更大的聚合物制品的装置。
36.根据权利要求31的装置，该装置还包括：一个和该第一模具模型互为互补的附加模具；用于使该附加模具与该电沉积粉料在固化前啮合在一起、借此来生产一种在该膜两侧都有模型的膜层的装置。
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