納米注塑成型被用作金屬和塑膠有力結(jié)合的技術(shù)，應(yīng)用越來越廣泛，美域同潤在精密模具、精密注塑成型、納米精密注塑成型等技術(shù)上，始終走在行業(yè)前列。盡管微型零件和特征是常規(guī)的成型，但當(dāng)零件壁厚小于1毫米時，聚合物熔體的性能還沒有被很好地理解。在這項研究中，確定了通過注射成型復(fù)制納米級特征的成型條件和材料特性的影響。納米級特征是納入模具的薄嵌件的一部分。

聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）被使用兩級實驗設(shè)計來研究熔體溫度、模具溫度、注射速度和包裝壓力對深度比和表面質(zhì)量的影響。原子力顯微鏡（AFM）被用來測量成型的部件。聚丙烯在較寬的工藝窗口下提供了最好的復(fù)制，而聚碳酸酯在較窄的工藝窗口下是無定形材料的最佳復(fù)制。正如預(yù)期的那樣，復(fù)制與材料有關(guān)，并且在較高的熔體溫度和模具溫度下實現(xiàn)得更好。

1 引言 

由于基礎(chǔ)設(shè)施投資、制造成本和環(huán)境影響的大幅降低，納米尺度的注射成型為集成電路和微納米電子機械系統(tǒng)（MEMS和NEMS）的高速、大批量制造提供了可能[1]。與目前用于生物MEMS的硅基系統(tǒng)相比，聚合物具有更強的生物相容性[2]，并且可以被定制為具有所需的特性，包括耐化學(xué)性和蛋白質(zhì)吸附特性。模塑也將與生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品非常廣泛的產(chǎn)品范圍和相對較短的壽命相匹配。這樣的制造方法將極大地提高檢測水平，促進組織工程的應(yīng)用[3]。

微米級零件的成型表明，與傳統(tǒng)的注射成型相比，熱傳導(dǎo)，特別是模具溫度，在模具填充中起著更重要的作用[4,5]，因此需要接近等溫的模具填充[6,7]。表面粗糙度也影響著零件的質(zhì)量和微觀粒子的噴射。

表面粗糙度也會影響零件的質(zhì)量和微成型零件的彈出[8]。試圖用硅片而不是金屬工具進行模塑的嘗試表明，硅片是可行的工具，但比金屬更脆弱[9,10]。最后，界面效應(yīng)，如表面張力，在納米尺度上變得更加重要。雖然大的納米級特征已經(jīng)被塑造成數(shù)字多功能磁盤（DVD），但成型系統(tǒng)是為光學(xué)級聚碳酸酯和鎳工具定制的。因此，用幾種材料和一系列加工條件對通過注射復(fù)制納米級特征進行了研究，以確定熱傳導(dǎo)是否是影響納米級成型的唯一因素（就像微成型那樣），或者界面效應(yīng)是否影響了成型件的質(zhì)量。

2 實驗性 

本研究選擇的高流動性材料包括光學(xué)級聚碳酸酯（PC），這是DVD的標準材料，聚苯乙烯（PS），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），和聚丙烯（PP）。材料特性列于表1。熔體粘度是用最高熔體溫度和10,000 s-1的剪切率下的粘度K、冪律指數(shù)n和在10,000 s-1的剪切率下計算的活化能Ea來表征的。熱性能被濃縮為熱擴散率，D。

表1：材料特性

DVD沖壓件被切割成9 x 4 mm2的碎片，在超聲機中清洗，并插入一個注塑模具，然后安裝在一臺3噸兩級微型注塑機（Nissei，型號AU3E）中。如表2所示，進行了四因素兩級實驗設(shè)計（DOE），以研究熔體溫度Tm、模具溫度Tw、注射速度vinj和包裝壓力Ppack對特征復(fù)制的影響。零件用PSIA公司（型號為高精度XE-100）的AFM儀器和0.5Hz的非接觸方法進行了特征分析。

3 結(jié)果

 圖1展示了來自原子力顯微鏡的典型地形圖。對于每張圖像，分析三次掃描以產(chǎn)生圖中所示的 "表面粗糙度 "痕跡。

1. 在這幅圖像中，模具的投影在成型的零件上產(chǎn)生了凹陷或特征。這些痕跡給出了成型件的深度與掃描距離的關(guān)系。特征尺寸是根據(jù)這些痕跡測量的。類似的AFM圖像顯示，DVD模具上的凸起深度為140納米。使用深度比和特征定義對模具特征的復(fù)制進行了量化。深度比，DR，被定義為：

d

DR (1)

dt

其中dp是成型件中的凹陷深度，dt是模具中的凸起深度（即140毫米）。

圖1：一個成型部件的地形圖。以及來自AFM的典型表面粗糙度。放大率為 8,000 X

表3：特征復(fù)制的尺度

 Chinnawat Srirojpinyo ^*, Sung-hwan Yoon^* , Jun Lee^**, Changmo Sung^**, Joey L. Mead^* , and Carol M. F. Barry^*

*Department of Plastics Engineering, University of Massachusetts Lowell, [email protected]

**Center for Advanced Materials, University of Massachusetts Lowell 1 University Ave., Lowell, MA, 01854

REFERENCES

[1]   Greiner, R, Kunstoffe Plast Europe, 88, 29-32, 1998.

[2]   Lai, S.; Lee, J. L.; Yu, L.; Koelling, K. W and Madou, and M. J., Materials Research Society Symposium Proceedings, 729, 17-27, 2002.

[3]   Madou, M. J.; Lee, J. L.; Koelling, K. W.; Daunert, S. Lai, S.; Koh, C. G.; Juang, Y.; Yu, L.; and Lu, Y., SPE Technical Papers, 59, 245-254, 2001.

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[5]   Yu, L.; Lee, L. J.; Koelling, K. W., SPE Technical Papers, 61, 602-606, 2003.

[6]   Martyn, M. T.; Whiteside, B.; Coates, P. D.; Allan, P. S.; and Hornsby. P., SPE Technical Papers, 60, 476- 480, 2002.

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[9]   Yu, L.; Koh, C. G.; Koelling, K. W.; Lee, J. L.; and Madou, M. J., SPE Technical Papers, 59, 785-789, 2001.

[10] Yu, L.; Koh, C. G.; Lee, J. L.; and Koelling, K. W., Polymer Engineering and Science, 42, 871-888, 2002.

[11] Wimberger, R. F., SPE Technical Papers, 57, 476-480, 1999.

[12] Bushko, W. C.; Dris, I.; Avagliano, A., SPE Technical Papers, 59, 780-784, 2001.