电子束辐照PET薄膜制备有序多孔阵列高分子模板

1、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（浓硫酸与重铬酸钾的混合液）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、

2、掩膜、电子束蚀刻、腐蚀中图分类号 O633.14 O571.33 Q691.2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m（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

3、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。1.实验方法1.1材料和仪器PET薄膜(10

4、m，上海邦凯塑胶科技有限公司)；重铬酸钾(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)。1.2 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重铬酸钾，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

5、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-beamIrradiated PET membraneOxidationPET templatePET membrane图1 高分子模板制备工艺框图Fig. 1 Schematic diagram of PET t

6、emplate preparation2.结果分析与讨论2.1实验条件选择以及数据分析2.1.1氧化剂的选定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，选用重铬酸钾的硫酸溶液4（硫酸浓度8mol/L,重铬酸钾浓度0.2379mol/L）作为氧化剂对PET进行腐蚀。2.1.2掩膜以及掩膜厚度的选择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，2MeV电子在铅介质中的线射程约0.84mm。用120m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

7、得到孔径和孔密度大小一致的PET模板。2.1.3 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。用重铬酸钾/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-Wt)/W0式中，V为基体腐蚀失重率，W0、Wt分别为腐蚀前后的基膜质量。2.2 不同腐蚀条件对辐照PET的失重率的影响2.2.1.腐蚀温度对辐照PET薄膜失重率的影响Fig.2 Effect of temperature of 12h etching on weight loss of the PET membr

8、anes irradiated to different doses图2 腐蚀温度对不同辐照剂量的PET薄膜腐蚀失重率的影响(腐蚀12h)由图2可知，辐照PET薄膜的失重率随着腐蚀温度的升高逐步增大，在600 kGy时，腐蚀失重率由80时的12.71%增加到90的100%。且在85以下时腐蚀失重率变化比较缓和，在85以上时失重率变化增速较快。2.2.2腐蚀时间对辐照PET薄膜失重率的影响Fig. 3 Effect of time of etching at 90on weight loss of the PET membranes irradiated to different doses图3

9、 腐蚀时间对不同辐照剂量的PET薄膜腐蚀失重率的影响(腐蚀温度90)由图3可知，辐照PET薄膜的失重率随着腐蚀时间的升高逐步增大，在300 kGy时，腐蚀失重率由7h时的13.68%增加到12h时的70%。在11h以后失重率随着腐蚀时间的升高迅速增大。2.2.3辐照剂量对辐照PET薄膜失重率的影响Fig. 4 Effect of irradiation dose on weight loss of the PET membranes etched in different durations at 90图4 辐照剂量对不同腐蚀时间的PET薄膜腐蚀失重率的影响(腐蚀温度90)由图4可知，辐照PE

10、T薄膜的失重率随着辐照剂量的增大逐步增大，在12h时，腐蚀失重率由0kGy时的16.09%增加到600kGy时的100%。辐照PET薄膜的失重率随着辐照剂量的变化比较缓和，在12h时随辐照剂量的增加失重率增加较快。综上所述，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。2.3 辐照PET薄膜的DSC分析 Fig.5 DSC analysis of the PET membranes irradiated to different doses图5 辐照PET薄膜的DSC分析图PET薄膜的结晶熔融热及结晶熔点可由DSC熔融峰面积及峰值得到。由图5，辐照PET薄膜在0kGy、50 k

11、Gy以及600 kGy时的熔融峰面积分别为48.62J/g、41.24 J/g和40.33 J/g。结晶熔点分别为258.1、256.4、256.0。高聚物的结晶度可以通过熔融热来测定，即c=Hf/Hf×100%式中：c为结晶度；Hf为薄膜的熔融热；Hf为结晶度为100%的相同高聚物标准物的熔融热。由上式可知，熔融峰面积的变化反映了结晶度的变化，辐照PET薄膜在0kGy、50 kGy以及600 kGy时的熔融峰面积随着辐照剂量的增加有所减少，且随着辐照剂量的增加，结晶熔点降低，导致PET薄膜的结晶受到破坏。而结晶的破坏使腐蚀液更容易侵入到PET薄膜中对薄膜进行腐蚀，这也是导致随着辐照

12、剂量的增加，PET薄膜腐蚀失重率增加的原因。2.4 辐照PET薄膜的红外分析Fig.6. IR spectra of the PET membranes irradiated to different doses图6 不同辐照剂量PET薄膜的IR分析图由图6，辐照后PET样品的红外光谱吸收谱发生明显变化：1472cm-1(反式的CH2弯曲振动)，973cm-1(反式的C-O反对称伸缩振动)和849 cm-1(反式的CH2摆动)等吸收带发生衰减，表明辐照使PET主链断裂而发生降解；辐照后，上述吸收带衰减都与反式构型的乙醇残留物中的分子振动有关6,7,8，反式构型的乙二醇残留物是PET中晶态结构的

13、重要组成部分，因而相应吸收带的衰减意味着材料的晶态结构遭到破坏，产生非晶化转变。这个结果与DSC分析的结果相符合。且辐照导致化学键的断裂，而化学键的断裂导致PET分子量的减少，使辐照PET薄膜更容易被腐蚀，导致辐照PET 的腐蚀失重率增加。2.5 模板的制作用电子束辐照覆盖有掩膜的PET薄膜，电子束在薄膜中形成径迹损伤，薄膜经氧化处理清洗等过程得到孔径和孔密度一致的高分子模板。在模板的制备过程中，掩膜占有极其重要的地位，它决定了模板的孔径大小和孔的排列。本文从PET的基本化学性质和化学结构出发，选择了重铬酸钾的硫酸溶液作为PET薄膜的化学蚀刻剂，并对影响基体蚀刻的诸因素进行了研究，从而获得了适

14、合PET蚀刻的条件。 Fig.7 4 mm PET template 图7 孔径为4mm的PET模板 Fig.8 400 m PET template 图8孔径为400 m的PET模板 3. 结论 (1) 经实验证明,用重铬酸钾的硫酸溶液作为PET薄膜蚀刻的氧化剂剂是可行的.(2) 随着辐照剂量、腐蚀温度和腐蚀时间的增加，PET基膜更容易被腐蚀。(3)辐照导致PET薄膜化学键的断裂、非晶化转变，且随着辐照剂量的增加，变化越大，这是导致辐照PET 的腐蚀失重率增加的原因。（4）用电子束辐照PET薄膜制备有序多孔微米级模板是可行的。 4.参考文献1. G. E. Possin.Rev.Sci.in

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16、uanrong,He Xiangming,Yan Yushun, A study on the chemical etching of polypropylene nuclear track membrane. Nuclear Techniques, 2002,25(1):36-405辐射加工技术及其应用，赵文彦，潘秀苗主编，兵器工业出版社(北京)，2003年1月第一版: 12-13RadiationProcess Techniques and Application,Zhao Wenyan, Pan Xiumiao editor in cheif,Weapon Industry Press(

17、Beijing),2003.1:12-13.6刘昌龙,金运范,朱智勇等.红外光吸收研究35MeV/u离子辐照半晶质聚酯膜引起的效应J.高能物理与核物理2000,24(4):352-359.Liu Changlong, Jin Yunfan, Zhu Zhiyong, et al. Infrared Absorption Study of Effects in Semicrystalline Polyethylene Terephthalate Films Induced by 35MeV/u Ar Ions. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2

18、000, 24(4):352-359.7刘昌龙,金运范,孙友梅等.高能Ar离子辐照PET膜引起表面改性研究J.核技术,2001,24(1):6-13.Liu Changlong, Jin Yunfan,Sun Youmei, et al.Surface modifications of PET induced by high energy Ar ion irradiation.Nuclear Techniques, 2001,24(1):6-138 王 瑛,朱智勇,孙友梅,金运范,王志光等. 22MeV/u的Fe离子在PET膜中引起的辐照效应研究J. 原子核物理评论,2004,21(1):14

19、0-145.Wang Ying , Zhu Zhiyong, Sun Youmei, Jin Yunfan,Wang Zhiguang et al.Irradiation Effects in PET Films Induced by 22 MeV/u Fe Ions.Nuclear Physics Review, 2004,21(1):140-145.Template preparation of EB irradiated PET membrane Xufeng HAO Ruimin ZHOU* Xinfeng WU Fei ZHOU Bangjun DENG Shunting FEI (

20、Shanghai Applied Radiation Institute,Shanghai University, Shanghai 201800) ABSTRACT: In this paper, polyethylene terephthalare (PET) membrane irradiated by 2 MeV E-beam through a mask and etched oxygenation corrosion to produce template were investigated. Effects of the irradiation dose、corrosion ti

21、me and corrosion temperature on the weight loss of irradiated PET were discussed. The results showed that with increasing irradiation dose、corrosion time and corrosion temperature, the corrosion of irradiated PET membrane became easier. EB induced microscopic structural modifications and amorphous t

22、ransformation were investigated by means of IR and DSC. It was found that the material underwent chemical degradation through bond breaking, and crystalline structure of the material was gradually destroyed. KEYWORDS：Template，PET，mask，EB etching ,corrode辐照纤维素溶液的动态流变性周瑞敏 唐述祥 郝旭峰 （上海大学射线应用研究所 上海201800

23、）摘要 本文研究了电子束辐照纤维素/ N -甲基吗啉-N -氧化物(NMMO)溶液的动态流变性。用DSR-200流变仪测定溶液样品的储能模量G、耗能模量G以及复数粘度*随动态频率的变化。结果表明：随着辐照剂量的增加，纤维素的分子量逐渐减小、分子量分布更均匀。同时电子束辐射破坏纤维素分子的结晶结构，使得纤维素分子之间的缠结减弱，可及度提高，为辐照纤维素的可纺性以及确定纺丝工艺提供了依据。关键词: 辐照纤维素，N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO），粘弹性，动态流变中图法分类号: 前言传统的人造纤维（粘胶纤维）工业正面临着诸多问题：化学药剂（如：NaOH和CS2等）消耗量大，且对环境产生严重污染。特

24、别是排出大量的CS2和H2S，以及在碱化阶段产生的黑液（主要是NaOH、H2SO4、Zn2+等）排放到周围的环境中，给环境带来巨大的破坏1。从本世纪60年代起，人们开始致力于人造纤维新生产方法的开发，如有机溶剂法、NaOH法、氯化锌法、纤维素氨基甲酸酯法，lyocell（以N -甲基吗啉-N -氧化物为溶剂）法等，目的是减轻粘胶纤维生产对环境的污染。从目前的研究情况来看, 人造纤维新生产方法中真正实现工业化生产而前景可观的只有NMMO溶剂法一种。NMMO 能很好地溶解纤维素, 得到成纤、成膜性能良好的纤维素溶液。用该溶液纺丝得到的Lyocell纤维由于其优异的性能获得了很大的成功, 同时用纤维

25、素溶液制膜也得到了人们的广泛重视。目前, 国外开发NMMO工艺的公司主要有四家: 奥地利Lenzing 公司在研究Lyocell薄膜性能的同时, 已设计出了一系列针对该体系的挤膜及后续设备, 预计很快就将工业化2、3; 英国Courtau lds 公司研究了该工艺双向拉伸平膜用于包装及电池隔离膜的可能性 4, 5 ;德国TITK 实验室将拉伸过的Lyocell薄膜切成窄条制成力学性能良好的可降解捆扎绳 6 ; 目前,采用 NMMO 工艺Lyocell，实现Lyocell薄膜工业化生产的只有美国的Viskase 公司, 该公司是全球纤维素肠衣的最大供应商。上海市科教兴市重点项目“1000吨Lyo

26、cell纤维产业化项目”实物投料试车已经成功7，标志我国已能工业化生产Lyocell纤维。在过去20多年中，人们致力于纤维素的直接溶剂的研究，真正实现工业化生产且前景可观的只有NMMO溶剂法，采用该工艺生产的纤维称为Lyocell纤维。由于Lyocell纤维生产工艺的独特的优点和纤维与织物本身所具有的独特性能和特点,使之具有许多潜在的用途。目前，市场供应的Lyocell纤维是用聚合度为500-600左右的纤维素纺制而成，纤维素材料源于木浆和棉浆（短棉绒浆），这类纤维素材料的平均聚合度很大，往往达700至1200。纤维素聚合度越高，它的溶解和纺丝就越困难，制得的纺丝液的流变性能也会发生相应的变化

27、。在NMMO溶剂法工艺中，仍用粘胶工业中的陈化工艺调节纤维素的聚合度。陈化过程产生大量黑液，对环境产生污染。研究表明，电子束辐照使纤维素分子裂解，而且纤维素聚合度的下降是辐射剂量的函数8。电子束辐照裂解纤维素，调节纤维素的聚合度是物理方法，没有环境污染问题。用电子束辐照法代替陈化工艺是一项有意义的工作。本文用DSR-200流变仪测定辐照纤维素溶于NMMO溶液时的储能模量G、耗能模量G以及复数粘度*随动态频率 的变化。考察辐照纤维素/NMMO溶液的可纺性以及纺丝工艺的依据9。1.实验1.1实验原料及主要仪器JG-2型（2Mev, 10mA）地那米加速器(上海先锋电机厂)、DSR-200流变仪、浆

28、粕（上海双鹿桨粕有限公司）1.2实验材料制备把桨粕剪成4cm长、2cm宽片状并作记号，在空气气氛中用JG-2型（2Mev, 10mA）地那米加速器进行辐照，经过一段时间后分别取出，放在干燥的试剂瓶中备用。1.3纤维素溶液的制备将辐照浆粕和一定含水率的溶剂（NMMO）按固定的比例混合在溶解釜中，高温下减压蒸馏，边搅拌边脱除多余的水分，直至桨粕完全溶解为止，得到琥珀色的透明溶液。1.4动态频率扫描采用DSR-200流变仪,对纤维素溶液的样品在85下施加一定的应力(100Pa),测定储能模量G、耗能模量G以及复数粘度*随动态频率的变化，从而全面描述小振幅剪切振荡实验中材料的线形粘弹性。实验选择的频率

29、范围为0.1500rad.s-1,由于DSR-200在高频区实验存在较大偏差,因而实验数据截取在0.1250rad.s-1。2.结果与讨论2.1不同剂量辐照桨粕的动态频率扫描在小幅剪切振荡实验中，物料函数为复数模量G*，复数粘度*，损耗角： 公式(1) 公式(2) 公式(3)公式（1）中，( t) 和( t)分别为剪切应力和剪切应变。公式（2）中*常命名为动态粘度，而参量没有特殊名称，但它通过G=与动态刚度有关。其中G表示与应变同相位的模量，称为储能模量，表示物质的弹性；G表示与应变速率相同的模量，称为耗能模量，表示物质的粘性，这些物料函数中独立变量只有个，通常取G，G。由公式（2）和公式（3

30、）可知，当材料处于线性粘弹区时，其物料函数仅是频率或时间的函数，而与所施加的应力、应变大小无关。物料函数不随应力变化的区域称为实验材料的线性粘弹性范围。本实验预先测定了不同剂量辐照纤维素/ NMMO溶液的线性粘弹性范围。其方法是采用DSR-200流变仪在一定的应力范围内通过溶液样品施加固定频率的正弦应力，测定储能模量G和耗能模量G以及*随应力的变化，从而确定样品的动态线性粘弹性的应力范围。实验最终选用的动态应力为100Pa，确保纤维素/ NMMO溶液在动态线性粘弹性范围内。图1、2、3分别是经0kGy、3kGy、5kGy剂量辐照的桨粕/NMMO溶液的动态频率扫描图。图1 经0kGy辐射的桨粕动

31、态频率扫描Fig.1 The dynamic frequency scan of initial pulp图2 经3kGy辐射桨粕的动态频率扫描Fig.2 The dynamic frequency scan of 3kGy irradiated pulp图3 经5KGy辐射桨粕的动态频率扫描Fig.3 The dynamic frequency scan of 5kGy irradiated pulp2.2辐照纤维素分子量的研究在研究辐照纤维素动态流变性时，实验应用了Cox-Merz规则10。Cox-Merz规则是联系小幅振荡剪切实验线性粘弹数据和稳态剪切数据的经验公式。它指出，如果对应的稳

32、态剪切流中的剪切速率和动态小振幅剪切振荡频率值相等，则在跨越几个数量级的测量范围内，总有： 公式（）Cox-Merz规则联系了稳态大形变下的非线性粘性和动态小振幅剪切振荡下的线性粘弹性，且精度高，经过多年验证，已知其适用与：不同种类的均聚物材料；具有高低不同分子量的聚合物；具有宽窄不同分子量分布的聚合物；线性的或带长链段化的聚合物；聚合物熔体和浓或亚浓聚合物溶液。纤维素是线性聚合物，同时纺丝用的纤维素溶液是浓溶液，因此该体系可应用Cox-Merz规则，动态频率扫描得到的复数粘度可看成稳态剪切粘度。因此，从图1、2和3中的复数粘度*可看出，各种样品在不同的剪切速率下的粘度的变化情况。它们都是假塑

33、性流体，表现出明显的剪切变稀的现象。在低频段，复数粘度与溶液的零切粘度相对应，复数粘度的变化代表分子量的变化。图4是经过不同剂量辐照的纤维素/NMMO溶液的复数粘度*和动态频率的关系，由图4可知,对于相同浓度的纤维素溶液，其相对分子质量的大小随辐照剂量的变化为：0KGy>3KGy>5KGy。图4 三种样品的复数粘度与频率的关系Fig.4 The dependence of complex viscosity and frequency2.3分子量分布随辐照剂量的变化图1、2和3上的储能模量G和耗能模量G两曲线有交点，该交点处的模量Gc与材料的分子量分布宽度有关。根据定义多分散系数=

34、105/Gc表示材料分子量分布宽度。该交点频率c的倒数所表示的特征时间tc(tc=1/c)，它与熔体缠结网的松弛时间有关。表1为3种辐照样品的特征模量和特征频率,由数据Gc比较可得，3种辐照纤维素溶液中纤维素分子量分布得宽窄次序为：0KGy>3KGy>5KGy。而根据tc的数值可以看出，辐照纤维素/ NMMO溶液中纤维素分子缠结网强弱次序为：0KGy>3KGy>5KGy。从比较中我们可以看出辐射可以使桨粕的分子量分布均匀，而且随着辐射剂量的增加，桨粕的分子量分布更均匀。同时辐射破坏纤维素分子的结晶，使得纤维素分子之间的缠结减弱，提高它的可及度。Tab.1 The index and of samples（85）样品/Pa/rad.s-1/s0KGy119883.47126.60.00793KGy376826.54132.10.00765KGy446622.39153.30.00653. 结论由以上讨论得，对于相同浓度的纤维素溶液，随着辐照剂量（分别为0kGy、3kGy、5kGy）的增加，桨粕的分子量减小、分子量分布更均匀。同时辐射破坏纤维素分子的结晶，使得纤维素分子之间的缠结减弱，可及度提高，为纤维素溶液的可纺性以及确定纺丝工艺提供依据。参考文献：(1)StepanikTM.,1998.Electron-proce