文档介绍：电子束辐照PET薄膜制备有序多孔阵列高分子模板
郝旭峰周瑞敏吴新锋周菲邓邦俊费舜廷
(上海大学射线应用研究所上海 201800)
摘要本文用掩膜工艺电子束蚀刻技术产生具有潜影的聚酯(PET)薄膜,经强氧化液(浓硫酸与***钾的混合液)腐蚀,产生有序微米多孔阵列PET模板。讨论了辐照剂量、腐蚀时间以及腐蚀温度等因素对基膜蚀刻和腐蚀的影响。结果表明随着辐照剂量、腐蚀温度和腐蚀时间的增加,PET基膜更易被腐蚀。IR、DSC测量结果表明:辐照导致化学键的断裂、非晶化转变,是导致辐照PET薄膜的腐蚀失重率增加的原因。用此方法制备了孔径大小一致的微米级有序多孔阵列PET模板。
关键词模板、PET、掩膜、电子束蚀刻、腐蚀
中图分类号
前言
痕迹刻蚀高分子膜是一种可以批量生产的微孔膜,它是由核裂变碎片或重离子加速器轰击高分子膜,经化学试剂腐蚀痕迹处的裂解分子,形成的微/纳米孔道。通常这些孔呈圆柱形[1,2,3],并与膜垂直,孔径一般为10 nm至数十μm(孔密度可达109/cm2)。核孔膜已在分离技术中获得应用,核孔膜的孔径分布比其它高分子分离膜均匀,分离质量也好于后者,因此空气中微粒的分级技术广泛应用核孔膜。核孔膜还应用于核径迹防伪技术、制备纳米一维材料的模板和核孔膜复合型医用敷料等领域。但核裂变碎片或重离子轰击高分子膜所产生的孔道是随机的,孔的分布成无序状,有的孔轴与膜面夹角可达30°,产生孔道交错现象,造成孔径的不均一性。电子束辐照高分子材料完全是无规行为,高分子材料的吸收剂量较均匀,故并无核裂变碎片或重离子轰击高分子膜时产生孔道的现象。我们用电子束辐照覆盖有多孔掩膜的PET薄膜,再用强氧化剂腐蚀辐照膜,利用辐照和未辐照高分子膜腐蚀速率的差别,在辐照区产生孔隙,最终得到机械性能优良和化学稳定的PET模板。通过机械和激光打孔法制备金属多孔掩膜,能控制孔的直径和排列,且孔道规整性好,孔轴与膜面无夹角,孔成有序状。再用掩膜工艺,通过电子束蚀刻和化学腐蚀,复制出小孔有序排列的多孔PET模板。
PET薄膜(10μm,上海邦凯塑胶科技有限公司);***钾(AR,国药集团化学试剂有限公司)、硫酸(AR,国药集团化学试剂有限公司)及其它试剂均为分析纯。
实验仪器为 2MeV电子加速器(上海先锋电机厂),FT-IR(FTS175傅利叶红外光谱分析仪),DSC(DSC200PC, NETZSCH),钻孔机(TD-200型便携式台钻)。
实验过程
将PET薄膜用2MeV电子束辐照至不同剂量,封袋待用。
用电子分析天平称量***钾,加入已标定的硫酸溶液中,在室温下搅拌直到全部溶解,配成一定浓度的腐蚀液。
先进行PET薄膜蚀刻的条件试验:将PET薄膜不加掩膜辐照至各种剂量,取其少量用电子天平进行称量,放入锥形瓶中,加入恒定体积的腐蚀液后放入恒温槽中,在不同温度下进行腐蚀,
温度控制在±1C°。腐蚀后进行水洗,干燥,用分析天平测量膜的失重,计算失重率,得到适合PET薄膜蚀刻的条件。
用钻孔机在金属上打孔,孔径垂直于金属面,制成有序多孔阵列金属掩膜。将PET薄膜与金属掩膜复合用电子束辐照至不同剂量,经腐蚀液腐蚀后,获得有序多孔PET模板。
图1是高分子模板制备工艺框图
Pb mask
e-beam
Irradiated PET membrane
Oxidation
PET template
PET membrane
图1 高分子模板制备工艺框图
Fig. 1 Schematic diagram of PET template preparation
PET属于一种聚酯类聚合物,具有很好的化学稳定性。通过比较性实验,选用***钾的硫酸溶液[4](硫酸浓度8mol/L,***)作为氧化剂对PET进行腐蚀。
电子束的射程与其能量和物质密度有关[[5]。在电子束蚀刻PET膜的实验中,用金属铅作掩膜,经计算,。用Φ120μm钻头在2mm厚的铅板上钻规则排列的垂直微孔,电子束通过掩膜上的微孔照射PET基膜,在薄膜中形成电子径迹损伤,薄膜经化学腐蚀、清洗等过程得到孔径和孔密度大小一致的PET模板。
PET薄膜蚀刻后的失重率
PET薄膜经过氧化剂腐蚀后的失重率对于模板的研究非常重要。用***钾/硫酸溶液作氧化剂,测定了不同温度以及时间下不同辐照剂量的PET薄膜的失重率。根据蚀刻过程的机理,基膜腐蚀失重率的计算公式应为
V= (W0-