由聚合物、金屬和半導(dǎo)體組成的復(fù)合纖維材料將光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大到傳感器，電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)和智能紡織品等領(lǐng)域。復(fù)合纖維材料能夠在單個(gè)燈絲內(nèi)集成多種功能元件，如電極、二極管、微流控通道、光波和壓電傳感器，同時(shí)保留纖維固有的優(yōu)勢(shì)，包括高通量生產(chǎn)、微米到納米級(jí)特性和機(jī)械柔韌性。然而，光纖與其他系統(tǒng)的接口在很大程度上僅限于它們的尖端，這阻礙了它們?cè)诖竺娣e應(yīng)用中的應(yīng)用。雖然纖維中的縱向?qū)ΨQ(chēng)性可以通過(guò)選擇性毛細(xì)管斷裂來(lái)打破，但是獲得嵌入光纖包層內(nèi)的裝置的電氣、光學(xué)或流體通路往往依賴(lài)于低通量消融方法。

來(lái)自MIT的Li group結(jié)合了熱拉伸和光纖內(nèi)光刻，以創(chuàng)建沿表面具有微尺度圖案的數(shù)米長(zhǎng)的光纖。他們開(kāi)發(fā)了一種基于具有熱聚合和光聚合特性的硫醇-環(huán)氧樹(shù)脂/硫醇-烯網(wǎng)絡(luò)的高通量熱拉伸光刻膠，能夠確定性地打破光纖中傳統(tǒng)的縱向?qū)ΨQ(chēng)性，并為光纖內(nèi)嵌入高密度的功能元件。

圖1 復(fù)合材料纖維結(jié)構(gòu)

首先，沿光纖長(zhǎng)度的任意點(diǎn)進(jìn)行光刻圖案化的光纖必須滿足兩個(gè)材料標(biāo)準(zhǔn)。

1. 具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。當(dāng)溫度 T > T g，光敏聚合物可以沿拉伸方向?qū)R和拉伸，同時(shí)避免在纖維制造過(guò)程中完全交聯(lián)。

2. 拉伸纖維成分的光刻圖案化（這里稱(chēng)為“纖維內(nèi)光刻”）有利于負(fù)光致抗蝕劑，負(fù)光致抗蝕劑的不完整或非交聯(lián)結(jié)構(gòu)允許其纖維加工。

他們?cè)O(shè)計(jì)了硫醇-環(huán)氧樹(shù)脂/硫醇-烯聚合物網(wǎng)絡(luò)以滿足熱拉伸光刻膠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。硫醇-烯聚合物對(duì)氧的抑制力低，且聚合過(guò)程中的機(jī)械變形最小，環(huán)氧官能團(tuán)單體提供Tg（圖1）。

圖2 復(fù)合纖維材料的熱固化和紫外固化過(guò)程

硫醇-環(huán)氧/硫醇-烯基可拉伸光刻膠選擇三[2-（3-巰基丙酰氧基）乙基]異氰尿酸酯（TMICN），雙酚A二縮水甘油醚（BADGE）和1，3，5-三烯丙基-1，3，5-三嗪-2，4，6（1H，3H，5H）-三酮（TATATO）分別作為具有硫醇，環(huán)氧和烯烴官能團(tuán)的單體（圖1）。在熱固化過(guò)程中，交替的硫醇三官能團(tuán)TMICN和環(huán)氧雙官能團(tuán)BADGE形成與熱拉伸兼容的線性或支化熱塑性聚合物。在紫外（UV）光固化過(guò)程中，TMICN的剩余硫醇官能團(tuán)和TATATO的烯烴三官能團(tuán)之間的硫醇-烯反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)（圖2）。

圖3 復(fù)合纖維材料的熱拉伸和紫外固化過(guò)程

硫醇-環(huán)氧樹(shù)脂/硫醇-烯光敏聚合物可以與其他具有相似熱機(jī)械性能的材料一起通過(guò)一步制造工藝制成長(zhǎng)達(dá)數(shù)米的集成纖維（圖 3）。在預(yù)制棒（纖維的宏觀前體）中，由碳負(fù)載聚乙烯（CPE）組成的單根導(dǎo)體嵌入在光敏聚合物和環(huán)烯烴共聚物（COC）的絕緣基材之間。相對(duì)于預(yù)制棒中的原始縱橫比，光纖中光敏聚合物層的厚度變得更薄。在所得纖維中，導(dǎo)體沿其整個(gè)長(zhǎng)度完全涂覆了超過(guò)9μm的光敏聚合物層。為了減少熱拉伸過(guò)程中硫醇-環(huán)氧樹(shù)脂/硫醇-烯混合物的流動(dòng)，可以對(duì)纖維預(yù)制棒進(jìn)行預(yù)固化，從而增加混合物粘度并導(dǎo)致更大的光敏聚合物厚度。因此，在拉絲之后，可以直接對(duì)纖維進(jìn)行光刻。

 圖4 顯微化圖案的復(fù)合纖維材料

為了對(duì)熱拉纖維進(jìn)行光刻圖案化，它們通過(guò)掩模暴露在302 nm的光下，并浸入丙酮中超過(guò)10分鐘進(jìn)行顯影。與未應(yīng)變獨(dú)立薄膜上的光刻類(lèi)似，直接在熱拉制光敏聚合物上開(kāi)發(fā)了分辨率至少為1μm的圖案，首次展示了帶有熱塑性光刻膠的纖維內(nèi)光刻（圖4）。這些光纖與平面市售光掩模、彎曲或柔性光掩模兼容同樣允許傳統(tǒng)圓柱形纖維以及具有更復(fù)雜橫截面結(jié)構(gòu)的纖維的圖案化。

該研究小組將光刻和熱拉伸相結(jié)合，用于在沿長(zhǎng)度的任意位置進(jìn)行顯微鏡圖案化的纖維的高產(chǎn)量加工。熱拉伸光刻膠由三官能團(tuán)硫醇、雙官能環(huán)氧樹(shù)脂和三官能烯烴單體的混合物組成。在熱固化過(guò)程中，硫醇與環(huán)氧基團(tuán)的部分聚合產(chǎn)生了熱塑性塑料。將所得纖維暴露在紫外線下導(dǎo)致剩余的硫醇基團(tuán)和三官能團(tuán)烯烴分子之間的光聚合形成不溶性網(wǎng)絡(luò)。這種方法打破了纖維的縱向?qū)ΨQ(chēng)特性，同時(shí)利用了宏觀預(yù)制棒的微米級(jí)和納米結(jié)構(gòu)特征的公里級(jí)生產(chǎn)。通過(guò)在多個(gè)指定位置提供對(duì)光纖內(nèi)功能元件的訪問(wèn)，這種方法可以擴(kuò)展這些多功能多材料結(jié)構(gòu)在柔性大面積器件中的應(yīng)用，從而推動(dòng)紡織、傳感和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)的發(fā)展。

虹科紫外光源方案

• 虹科ALE/1 UV-LED

ALE/1能夠?qū)崿F(xiàn)最高光強(qiáng)的光譜模塊化，輸出光強(qiáng)不超過(guò) 95000 mW/cm2，輸出功率高達(dá)30W。輸出365nm 385nm 405nm 435nm等多個(gè)波段的紫外線，其余波段可以進(jìn)行光譜定制。閉環(huán)控制輸出、以實(shí)現(xiàn)最大過(guò)程穩(wěn)定性，提高光源輸出穩(wěn)定性。ALE/1易于集成到新的和現(xiàn)有設(shè)置中、無(wú)需外部冷卻，是一款適應(yīng)未來(lái)需求且具備顯著所有權(quán)成本優(yōu)勢(shì)的無(wú)汞光源。 

• 虹科superlite I05

SUPERLITE I 05光源傳統(tǒng)上可滿足所有光固化膠粘劑的要求，特別提供受控的 UV 光輸出，可選擇低至 320 nm 以下的短波光譜。該光源將較短的曝光時(shí)間與高紫外線輸出相結(jié)合，可在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更高的循環(huán)速率。SUPERLITE I 05是同類(lèi)產(chǎn)品中最強(qiáng)大、用途最廣的點(diǎn)光源，同時(shí)價(jià)格實(shí)惠，是小批量生產(chǎn)的最優(yōu)選擇。提供UVC版本，可實(shí)現(xiàn)深紫外光輸出。

參考文獻(xiàn)：ACS Cent. Sci. 2020, 6, 12, 2319–2325

https://doi.org/10.1021/acscentsci.0c01188

微信分享

x

用微信掃描二維碼
分享至好友和朋友圈

網(wǎng)站內(nèi)容來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)、原創(chuàng)，由網(wǎng)絡(luò)編輯負(fù)責(zé)審查，目的在于傳遞信息，提供專(zhuān)業(yè)服務(wù)，不代表本網(wǎng)站及新媒體平臺(tái)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如因內(nèi)容、版權(quán)問(wèn)題存在異議的，請(qǐng)?jiān)? 20個(gè)工作日內(nèi)與我們?nèi)〉寐?lián)系，聯(lián)系方式：021-80198330。網(wǎng)站及新媒體平臺(tái)將加強(qiáng)監(jiān)控與審核，一旦發(fā)現(xiàn)違反規(guī)定的內(nèi)容，按國(guó)家法規(guī)處理，處理時(shí)間不超過(guò)24小時(shí)。