表面纳米结构零件注射成型聚合物-金属模芯的界面行为与调控

Due to their structure characteristics, polymer nanostructured surfaces have a great market potential in the fields of biomedicine, chemical detection, etc. However, there are many defects, such as the incomplete filling and the serious demolding deformation, easily produced and accompanied with the injection molded nanostructured surfaces. These defects are due to the lack of understanding on the significant scale effect and micro mechanism during the process. This proposal is aimed to extend and deepen the micro-mechanism of injection molding at the nano-scale. The heat transfer and mechanical behavior between the polymer and the metal mold insert during the injection molding for nanostructured surfaces will be focused on in this project. The effects of wall slip and surface roughness on the flow behaviors of polymer melt in micro-scale will be analyzed. Relying on the molecular dynamics method, the interaction mechanism between the polymer and the metal mold insert during the injection molding at the nano-scale and its influence on the deformation of polymer nanostructures will be clarified. The evolution of geometrical features of polymer nanostructured surfaces will be further studied through the injection molding experiments and utilized to validate the results from the molecular dynamical models. Under the control of interface effect combined with the control of geometrical feature, the key technologies for the effective deformation control of polymer nanostructures will be mastered. The output from this project will offer a new theoretical foundation and technical support for the injection molding of polymer nanostructured surfaces with high performance, fewer defects and low cost.

聚合物表面纳米结构零件因其结构的特殊性，在生物医药、化学检测等领域有着巨大的市场潜力。然而，表面纳米结构零件的注射成型易产生充填不完整、脱模变形严重等缺陷，究其原因在于缺乏对成型中显著的尺度效应和微观机理的研究。本项目旨在推进与深入纳米尺度下注射成型的微观作用机理研究，聚焦表面纳米结构零件注射成型聚合物-金属模芯的界面传热与力学行为及其调控的科学问题。洞察微尺度下聚合物熔体流动的壁面滑移效应和壁面粗糙度效应；借助分子动力学方法，阐明纳米尺度下注射成型聚合物-金属模芯界面的作用机制，揭示界面作用对聚合物纳米结构变形的影响规律；进而通过表面纳米结构零件注射成型实验，分析聚合物纳米结构几何形貌的演变规律，验证理论模型预测的正确性，并将几何形貌控制和界面效应调控相结合，掌握有效调控聚合物纳米结构变形的关键技术，为高性能、低缺陷、低成本聚合物表面纳米结构零件的注射成型提供新的理论基础与技术支撑。

纳米制造技术不仅已是当代科技发展的前沿领域，而且成为各国战略必争的制高点。纳米制造在材料、环境、新能源、电子信息、生物医药和国防安全等领域有着重要的研究价值和广阔的应用前景。其中纳米尺度下注射成型的微观作用机理、界面传热及力学行为等是影响纳米结构零件高质量高效率生产的关键科学基础。通过四年间不断的努力与探索，基本上顺利完成了项目预期的各项研究内容。本项目借助分子动力学方法，从分子层面阐明纳米尺度下注射成型聚合物-金属模芯界面的作用机制，揭示界面作用对聚合物纳米结构变形的影响规律。阐明了聚合物-模芯界面传热机理，分析了多种条件下界面热阻的形成及影响界面热阻大小的关键因素。探究了聚合物-模芯界面的粘附机理及抗粘附处理方法，界面中原子间的强范德华作用及静电相互作用是引起粘附力的主要因素，全氟癸硫醇自组装薄膜可以有效地减小模芯界面的摩擦力和粘附力，且具有良好的耐磨性。阐述了注射成型过程残余应力形成机理及残余应力分布规律，势能与应力的形成密切相关。在脱模阶段，储存的势能会转化为分子链的延伸和迁移，从而影响纳米结构的复制精度。采用涂层制备技术改性模芯表面，并改进了镍模芯电铸工艺流程，完成了表面微/纳结构模芯的制备；结合快速变模温技术，实现了纳米柱、纳米光栅结构的注射成型。项目的研究成果在聚合物表面纳米结构零件的制备方面取得了一些创新性的进展，有助于表面纳米结构功能表面走向实际生产应用。本项目的研究工作已取得了不错的成果，在国内外高水平期刊上发表了21篇论文（其中SCI论文17篇），授权了2项发明专利。已合作培养博士后1人，培养硕士研究生4人，正在培养博士研究生3人和硕士研究生2人，其中3人次获得研究生国家奖学金，1人获得中南大学优秀硕士学位论文。