王 瑛郝旭峰吳新鋒周瑞敏賈少晉

1（上海大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 上海 201800）2（上海復(fù)合材料科技有限公司 上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心 上海 201112）3（上海大學(xué)射線應(yīng)用研究所 上海 201800）

電子束刻蝕聚碳酸酯制備微孔分離膜

王 瑛1郝旭峰2吳新鋒3周瑞敏3賈少晉1

1（上海大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 上海 201800）2（上海復(fù)合材料科技有限公司 上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心 上海 201112）3（上海大學(xué)射線應(yīng)用研究所 上海 201800）

以電子束刻蝕技術(shù)和聚碳酸酯（Polycarbonate， PC）材料本身的輻照裂解特性，結(jié)合微孔掩膜和溶液氧化腐蝕的方法，成功制備了具有規(guī)則垂直孔道的 PC微孔分離膜。用烏氏粘度計(jì)、凝膠滲透色譜儀、儀和傅里葉紅外光譜分析儀表征輻照PC的結(jié)構(gòu)和性能變化。結(jié)果表明，PC材料的黏均相對(duì)分子量、數(shù)均分子質(zhì)量、玻璃化溫度、黏均聚合度均隨吸收劑量的增加而下降；紅外分析表明 PC在電子束照射下發(fā)生主鏈斷裂；動(dòng)力學(xué)分析表明其輻照降解屬于無規(guī)降解類型，為電子束刻蝕制備PC微孔分離膜技術(shù)提供了理論依據(jù)。

電子束，刻蝕，聚碳酸酯，分離膜，輻照降解

CLC O633.21， TL13

重離子或反應(yīng)堆碎片轟擊高分子膜可以制備核孔膜。核孔膜的孔結(jié)構(gòu)具有孔徑均勻、垂直圓柱形的特點(diǎn)［1］，是典型的篩網(wǎng)型分離膜。篩網(wǎng)型分離膜的孔隙率雖然低（約 10%左右），但分離效率和傳統(tǒng)的彎曲結(jié)構(gòu)的分離膜相當(dāng)，這是由篩網(wǎng)型分離膜的結(jié)構(gòu)決定的。篩網(wǎng)型核孔膜孔徑比較陡直，物料很容易從孔通過，孔洞不容易堵塞，比較容易清洗。但是篩網(wǎng)型核孔膜在制備過程中，不同大小重離子轟擊的無規(guī)性容易造成斜孔，即孔的軸線方向和分離膜平面不能夠完全垂直，造成分離孔不具備規(guī)整性，孔的偏轉(zhuǎn)夾角很大，有時(shí)可高達(dá) 30°，甚至同一位置會(huì)因?yàn)閹讉€(gè)重離子的轟擊而造成孔徑擴(kuò)大，產(chǎn)生重孔現(xiàn)象。

現(xiàn)階段利用電子刻蝕在片子上作圖的方法有兩種：一是利用很細(xì)的聚焦電子束對(duì)每一個(gè)元器件進(jìn)行連續(xù)曝光，即連續(xù)電子束刻蝕法；二是利用電子束在覆蓋有掩模的材料上投射掩模圖像，即復(fù)制掩模圖像，這種方法叫做投影電子束刻蝕。這兩種方法在本質(zhì)上是相同的，都是采用電子束轟擊涂有對(duì)電子束敏感的材料即抗蝕劑涂層，利用電子束的能量使材料連續(xù)曝光和顯影。電子束光刻技術(shù)通過曝光-定影-顯影的過程可以制備出微納結(jié)構(gòu)的圖形，它可以制備特征尺寸10 nm甚至更小的圖形。隨著電子束曝光機(jī)越來越多地進(jìn)入科研領(lǐng)域，它在微納加工、納米結(jié)構(gòu)的特性研究和納米器件的制備等方面都呈現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值［2-3］。一些學(xué)者對(duì)電子束光刻進(jìn)行了理論模擬研究。肖沛等［4］利用Mott截面和介電函數(shù)模型，借助Monte Carlo方法模擬了電子在光刻膠 PMMA和襯底中的彈性散射和非彈性散射。吳鵬等［5］對(duì)低能電子在光刻膠和襯底中的復(fù)雜散射過程進(jìn)行分析和物理建模，采用Monte Carlo方法進(jìn)行模擬研究。

本研究利用電子束對(duì)高分子材料的裂解作用結(jié)合投影電子束的掩?？涛g技術(shù)制備微孔分離膜。電子束通過掩模上的垂直孔洞可以把掩模上的圖像復(fù)制到高分子薄膜上，電子束照到的高分子材料因?yàn)殡娮邮涛g而降解，再經(jīng)過化學(xué)腐蝕作用，即可制備出具有均勻孔洞且孔洞垂直于膜表面的微孔分離膜。聚碳酸酯（Polycarbonate， PC）的結(jié)構(gòu)決定了其在很寬溫度（15～130 oC）范圍內(nèi)可以使用，較高的尺寸穩(wěn)定性可以使分離膜使用過程中不易變形，優(yōu)越的力學(xué)性能保證材料不容易發(fā)生破裂而導(dǎo)致生產(chǎn)中止，PC材料是化工生產(chǎn)過程中需要的一種耐高溫、高強(qiáng)度的材料，另外它本身就是做核孔膜的主要基材，所以本實(shí)驗(yàn)選用PC膜作制備分離膜的基材。

1 材料與方法

1.1材料和儀器

重鉻酸（分析純，天津市化學(xué)試劑六廠三分廠），濃硫酸、四氫呋喃（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），聚碳酸酯基膜（自制，20 μm），三醋酸纖維素薄膜（日本富士公司），DJ-2型地那米（2 MeV，10 mA）電子加速器、電熱恒溫水?。―H-8D型，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），干燥箱（101-2型，上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠），電子天平（精確到小數(shù)點(diǎn)后四位，AB104-N 型，Mettler-Toledo Group），鉆孔機(jī)（TD-200型便攜式臺(tái)鉆），測(cè)厚儀（CH-1-S型，上海六菱儀器廠），掃描儀（BenQ，SZW 5000F，明基電通信息技術(shù)有限公司），TU-1800SPC 型紫外可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司），烏氏粘度計(jì)（? 0.38 mm，上海良精玻璃儀器廠），凝膠滲透色譜儀（Series 200， Perkin Elmer， Inc.， USA），差示掃描量熱儀（200 F3，差示掃描量熱分析，Germany NETSCH Company），傅里葉紅外光譜儀（FTS175，美國BIO-RAD（伯樂）公司）。

1.2吸收劑量的標(biāo)定

本實(shí)驗(yàn)采用三醋酸纖維素薄膜（CTA）劑量計(jì)，紫外-可見分光光度法測(cè)定薄膜的吸收劑量，此方法是在波長290 nm條件下測(cè)量由輻照引起的光吸收變化（吸收劑量在50～800 kGy范圍內(nèi)與吸收劑量呈直線關(guān)系，且在106Gy/h以下，輻照溫度不影響測(cè)量結(jié)果）。

1.3PC基膜的制備

用溶液揮發(fā)法制備PC膜。稱取一定質(zhì)量的PC樹脂，溶于三氯甲烷。溶液真空排氣后，直接倒在水平玻璃凹槽上，讓溶液自然流平，溶劑逐漸揮發(fā)后，便可以得到厚度比較均勻的PC膜。通過調(diào)節(jié)PC溶液的濃度可得到不同厚度的PC膜。本實(shí)驗(yàn)選用PC膜厚度為20 μm。

1.4鉛掩膜的制備

利用入射電子的能量和介質(zhì)密度與電子線射程的相互關(guān)系式［6］（公式1），計(jì)算掩模所需的厚度（公式1、2）：

式中：Rm是質(zhì)量射程（g/cm2）；R1是線射程（cm）；ρ是介質(zhì)密度（g/cm3）。也可以用一些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算電子射程，例如Gleidium的經(jīng)驗(yàn)式（公式（2））：

經(jīng)計(jì)算，2 MeV電子在鉛介質(zhì)中的 Rm=0.951 g/cm2，R1=0.0842 cm。掩模的厚度只要大于R1即可阻擋住電子束，實(shí)驗(yàn)用機(jī)械鉆頭（?400 μm和120 μm，實(shí)測(cè)）在1 mm厚的鉛板上鉆規(guī)則微孔（400 μm和120 μm），微孔孔道垂直于鉛板表面。

1.5聚碳酸酯材料的輻照研究

將制備的聚碳酸酯膜和顆粒裝在封裝袋中，在有氧的條件下放在電子束掃描裝置下約20 cm處，進(jìn)行傳動(dòng)輻照，輻照至不同吸收劑量 （0～1 800 kGy）后待用。利用烏氏粘度計(jì)測(cè)量輻照樣品的分子量，DSC測(cè)量不同吸收劑量的PC材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的變化，F(xiàn)T-IR表征輻照樣品的結(jié)構(gòu)變化。

1.6聚碳酸酯分子量檢測(cè)-烏氏粘度計(jì)和凝膠滲透色譜法（GPC）

利用Mark-Houw ink方程（公式3）計(jì)算PC的分子量：

式中：［η］為特性粘度；Mη為粘均分子量；K為比例常數(shù)；α是與分子質(zhì)量有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；K和α值與聚合物的化學(xué)組成、溶劑和溫度有關(guān)，且與分子量的范圍有一定的關(guān)系。利用烏氏粘度法對(duì)PC的粘度進(jìn)行測(cè)量。本文使用的烏氏粘度計(jì)如圖1所示，其烏氏粘度計(jì)常數(shù)為0.002 865 mm2/s2，毛細(xì)管內(nèi)徑為0.38 mm，選用的溶劑為氯仿，測(cè)量溫度為25 oC，K=2.77×10-3m L/g，α=0.50。

具體操作步驟：

（1）玻璃儀器的洗滌。先用經(jīng)熔砂漏斗濾過的水洗滌粘度計(jì)，倒掛干燥后，用新鮮溫?zé)岬你t酸洗液（濾過）浸泡粘度計(jì)數(shù)小時(shí)后，用（經(jīng)細(xì)菌漏斗濾過的）蒸餾水洗凈，干燥后待用。其它如容量瓶、移液管也需經(jīng)無塵洗滌，干燥后待用。

（2）高分子溶液的配置。準(zhǔn)確稱取高分子樣品0.3 g左右，將其溶解在三氯甲烷中配置成一定濃度的有機(jī)溶液后放入恒溫槽中待用。

（3）溶液流出時(shí)間的測(cè)定。將配置好的溶液倒入粘度計(jì)中，溶液從測(cè)量球（Measuring ball）（圖1）上下兩線通過的時(shí)間計(jì)為 t。分別測(cè)出純?nèi)軇┖腿芤旱牧鞒鰰r(shí)間t溶劑和t溶液。然后利用公式4、5、6進(jìn)行特性黏度的計(jì)算。

式中：η0為純?nèi)軇┑恼扯龋≒a·s）；η為溶液的粘度（Pa·s）；ηr為相對(duì)粘度；ηsp為增比粘度。C為高聚物溶液的濃度（g/mL）。

上述實(shí)驗(yàn)過程利用了程熔時(shí)公式法測(cè)定特性黏度，公式6即為程熔時(shí)公式，利用公式6求得η，再帶入Mark-Houw ink方程（公式3）即可求得Mη。

本研究同時(shí)利用凝膠滲透色譜技術(shù)對(duì)PC材料的數(shù)均分子量等數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，GPC測(cè)試所采用的是四氫呋喃溶劑，測(cè)試樣品的吸收劑量為0、300、900、1 800 kGy。

1.7聚碳酸酯玻璃化轉(zhuǎn)變溫度檢測(cè)-差示掃描量熱法（DSC）

利用差示掃描量熱儀（Germany NETSCH Company， DSC-200 F3）對(duì)輻照前后聚碳酸脂材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行測(cè)試。在N2氣氛下，以10 oC/m in的升溫速率從室溫開始升至 200 oC，樣品質(zhì)量為5～10 mg。

1.8紅外光譜分析（FT-IR）

為了表征輻照前后聚碳酸酯材料發(fā)生的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，PC薄膜和PC顆粒采用由美國Perkin Elmer Company-Pragon 1000型FT-IR光譜儀進(jìn)行表征，測(cè)量模式為反射光譜，掃描范圍定位3 500～1 000 /cm，掃描次數(shù)為32，分辨率為4 /cm。

1.9電子束刻蝕PC膜的刻蝕工藝

電子束刻蝕實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。規(guī)則多孔鉛掩膜緊貼在聚碳酸酯基膜上形成復(fù)合膜，然后用電子束輻照復(fù)合膜，電子束只能通過掩膜上的微孔轟擊聚碳酸酯膜，形成輻照小孔潛影（定影）。把鉛掩膜和刻蝕聚碳酸酯膜分離，用強(qiáng)氧化劑腐蝕刻蝕聚碳酸酯膜，在聚碳酸酯膜上形成微孔分離膜（顯影）。

1.10 電子束刻蝕PC膜的腐蝕工藝［6］

配制濃硫酸和重鉻酸鉀的混合溶液，濃度分別為8 mo l/L和0.237 9 mol/L，待用。將1.9節(jié)中電子束鉛掩模法刻蝕的PC膜放入濃硫酸/重鉻酸鉀的混合溶液，在90 oC的條件下腐蝕10 h，即可獲得多孔分離膜。利用強(qiáng)腐蝕溶液主要腐蝕掉被電子束降解的材料。

2 結(jié)果與討論

2.1吸收劑量對(duì)聚碳酸酯黏均分子量的影響

吸收劑量對(duì)聚碳酸酯黏均分子量的影響如圖 3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，PC的分子量隨著吸收劑量的增加而逐漸減小，在0～900 kGy吸收劑量內(nèi)，分子量減小比較快，而在900 kGy后，分子量變化變緩。

通過圖3的擬合曲線，求得聚碳酸酯輻照裂解的黏均相對(duì)分子量和吸收劑量曲線方程（公式7）：

式中：Mη為黏均相對(duì)分子量（10-4）；D為吸收劑量（kGy）。

相同的輻射吸收劑量對(duì)聚碳酸酯材料造成同樣的輻射降解效果，即同樣的劑量產(chǎn)生同樣數(shù)量的斷裂點(diǎn)，從而造成分子量的降低。假設(shè)前期一個(gè)單位的吸收劑量產(chǎn)生一個(gè)斷裂點(diǎn)，而一個(gè)斷裂點(diǎn)可以使一個(gè)分子量為40 000的分子變?yōu)?個(gè)平均分子量為20 000的分子；再施加同樣一個(gè)單位的吸收劑量產(chǎn)生一個(gè)斷裂點(diǎn)，最后變成的不是2+2=4個(gè)分子，而是2+1=3個(gè)分子，即3個(gè)40 000/3≈13 333的分子；所以分子量并不是直線下降，而是形成一個(gè)坡度，后期分子數(shù)目增多，同樣的破壞并不能造成分子量的巨大變化。一個(gè)聚碳酸酯材料所包含的總的單體數(shù)目是不變的，即隨著吸收劑量的增加，分子（即總的單體數(shù)目不變）不變，分母（即分子數(shù)目）的大小隨著吸收劑量的增多而有序增多，這就是導(dǎo)致材料前期分子量變化大，后期分子量變化量小，分子量的變化逐漸變緩的原因。

烏氏粘度計(jì)和GPC測(cè)得的PC材料分子量如表1所示。由表1可知，在一定范圍內(nèi)，隨著吸收劑量的增大，PC材料的幾類分子量（數(shù)均分子量Mn，重均分子量Mw，z均分子量Mz）均急劇減小，吸收劑量增大到一定值時(shí)，分子量的降低又趨于緩和，與烏氏粘度計(jì)測(cè)試的結(jié)果（Mη）趨勢(shì)完全吻合。另外，分子量隨著吸收劑量的增大而減小的同時(shí)，其分子量分布也相應(yīng)變窄，分子量分布向中間值靠攏，說明大分子鏈因裂解而數(shù)目變少。

表1 烏氏粘度計(jì)和GPC測(cè)得的PC材料分子量對(duì)照表Table 1 Comparison of PC molecular weight using the Ubbelohde viscometer and GPC

2.2輻照對(duì)聚碳酸酯玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響

用DSC測(cè)試輻照聚碳酸酯的性能，圖4為輻照聚碳酸酯試樣的玻璃化溫度變化趨勢(shì)圖。

擬合圖4上的曲線，求得聚碳酸酯輻照裂解的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度擬合曲線方程如公式（8）、（9）和（10）。

玻璃化始點(diǎn)溫度的回歸方程：

式中：Tg-begin為玻璃化始點(diǎn)溫度（oC）；擬合度R2=0.98308。

玻璃化中點(diǎn)溫度的回歸方程：式中：Tg-medium為玻璃化中點(diǎn)溫度（oC）；擬合度R2=0.98903。

玻璃化終點(diǎn)溫度的回歸方程：

式中：Tg-end為玻璃化終點(diǎn)溫度（oC）；擬合度R2=0.9886。

由圖4可見，聚碳酸酯玻璃化溫度隨吸收劑量增加而逐步下降，但下降的幅度很小，吸收劑量每增加100 kGy，玻璃化溫度大約下降1 oC左右。對(duì)一種高分子材料來說，其玻璃化溫度與分子量有關(guān)，分子量高則玻璃化溫度也高，分子量低則玻璃化溫度也低。因此，上述結(jié)果也反映了聚碳酸酯的分子量的變化趨勢(shì)也是隨吸收劑量增加而逐步下降。

聚碳酸脂材料的玻璃換轉(zhuǎn)變溫度是分子鏈段運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，但同時(shí)也反映了聚碳酸脂材料整個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)情況。隨著吸收劑量的增大，分子量逐漸降低，分子鏈段的長度也有可能會(huì)跟著降低，所以玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也就隨著降低。經(jīng)過1 800 kGy的吸收劑量，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的降低并不是只降低1 oC，而是隨著吸收劑量的增大而逐步降低了約15 oC，這是一個(gè)有規(guī)律的降低，且降低的整體幅度很大，從這個(gè)方面考慮，這也間接證明分子量的降低，即聚碳酸脂材料的輻射降解性。

2.3PC的輻照降解動(dòng)力學(xué)

高分子輻照降解的基本關(guān)系滿足（11）式［8］。

對(duì)降解型高分子，交聯(lián)度很小，相對(duì)于降解度可設(shè)為q0=0，基本關(guān)系可簡化如下：

公式兩邊均乘以M，可以得到公式（13），

再結(jié)合公式（14）：

可得到公式（15）。

式中：M為聚碳酸酯的單體分子量254；D為吸收劑量；p0為輻照降解的速率常數(shù)；Xn為聚碳酸脂的數(shù)均聚合度。

由公式15可以看出Xn是隨著D的變化而變化的，但同時(shí)應(yīng)該注意到D和Xn之間還存在著一個(gè)輻照降解的速率常數(shù)p0，p0決定了聚碳酸酯材料的輻射降解類型。當(dāng)p0是一個(gè)常數(shù)時(shí)，聚碳酸酯分子鏈上的任何一處化學(xué)鍵在電子束的轟擊下具有均等的破裂幾率，這種變化稱之為無規(guī)降解機(jī)理。當(dāng)p0是D的函數(shù)（一階或者大于一階的函數(shù)）時(shí)，即p0與D有關(guān)系，D發(fā)生變化，p0也隨之變化，聚合物的聚合度也隨著吸收劑量而有規(guī)律的變化，這種變化稱之為有規(guī)降解機(jī)理。有規(guī)降解時(shí)，聚碳酸酯的分子鏈上不同化學(xué)鍵因?yàn)檫x擇性吸收轟擊能量而破裂，即不同的化學(xué)鍵的破裂的幾率是不一樣的。

Xn可以通過表1中的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，通過表 1的數(shù)據(jù)結(jié)合吸收劑量的變化作圖得到數(shù)均聚合度的倒數(shù)與吸收劑量的變化曲線圖（圖5）。

圖5曲線進(jìn)行擬合可以得到公式（16）。

擬合曲線是一條直線，其中p0=0.002 88，為D的零階函數(shù)，且該直線具有較高的相關(guān)系數(shù)（R2=0.953 8）。按照上述無規(guī)降解機(jī)理和有規(guī)降解機(jī)理的分析進(jìn)行判斷，聚碳酸酯的輻照降解過程符合聚合物無規(guī)降解的特征，屬于無規(guī)降解，即在電子束的輻照下聚碳酸酯的主鏈隨機(jī)地發(fā)生斷裂，其斷裂程度隨吸收劑量的增加而增加［7］。

2.4結(jié)構(gòu)分析

圖6為聚碳酸酯薄膜和顆粒受不同劑量的電子束輻照后的紅外光譜圖。由圖6a和6b兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，材料在輻照前后結(jié)構(gòu)并沒有變化，表明聚碳酸酯在低劑量輻照下，其結(jié)構(gòu)不受吸收劑量影響。在大劑量輻照的條件下，為了檢測(cè)PC結(jié)構(gòu)的變化，以及輻照過程中是否有氣體成分的產(chǎn)生，選擇用顆粒狀的PC進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖6c和6d所示。

由圖6c和6d可以發(fā)現(xiàn)，譜圖在2800～3000 cm-1處（Carboxylic acids O-H 伸縮振動(dòng)）吸收峰明顯增大，說明PC可能在主鏈的C-O位置發(fā)生斷裂，然后端基結(jié)合空氣中的氧氣和水分而生成羧羥基，這就解釋了分子量降低的原因；另外2 340 cm-1和2 350 cm-1處CO2的特征峰明顯增大，說明輻照過程中產(chǎn)生了CO2，可能是由于生成羧羥基后發(fā)生脫羧造成的。

另外可以發(fā)現(xiàn)，隨著吸收劑量的增加，不管是PC顆粒還是PC膜，顏色都會(huì)逐漸加深，輻照前是無色透明的，輻照后變成了咖啡色，且其顏色隨吸收劑量的增加而加深。文獻(xiàn)［7］解釋這一現(xiàn)象認(rèn)為，PC在大劑量2～12 MGy時(shí) 的紅外譜圖中，在波數(shù)為1 688.10 cm-1位置上出現(xiàn)了C=C雙鍵的峰，其峰高隨吸收劑量的增大而略有增加，表明輻照裂解產(chǎn)生了 C=C 雙鍵等生色基團(tuán)。而這里最大劑量只有1.8 MGy，紅外波峰在1 688.10 cm-1處所表現(xiàn)出來的情況并不明顯。

以上幾個(gè)原因說明聚碳酸酯在有氧參與的電子束輻照下發(fā)生氧化裂解，輻照使得主鏈發(fā)生斷裂，分子量變小。而分子量變小同樣質(zhì)量材料其端頭增多，受腐蝕的破壞點(diǎn)增多，更容易被腐蝕。PC薄膜沒有受到輻照的地方分子量大，不容易腐蝕，受到大劑量輻照的地方容易受腐蝕，腐蝕的差異為電子束掩模法制備微孔分離膜提供了理論基礎(chǔ)。

2.5微孔聚碳酸酯分離膜的制備

將未經(jīng)輻照的 PC 膜放入 0.237 9 mol/L K2Cr2O7、8.0 mol/L H2SO4混合液中腐蝕，腐蝕溫度為90 oC，腐蝕時(shí)間設(shè)定為15 h。圖7為PC薄膜腐蝕前后AFM圖。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，由于PC薄膜受到腐蝕后，會(huì)形成很多孔洞結(jié)構(gòu)（圖 7b），這是由于材料表面的各種分子缺陷（如分子端頭）引起的。而經(jīng)受輻照的薄膜材料由于分子結(jié)構(gòu)受到破壞，經(jīng)過氧化腐蝕后，腐蝕效果會(huì)更加明顯。

在掩模的遮蓋下，經(jīng)過輻照刻蝕的材料缺陷更多更易腐蝕的原理制備出分離膜，即利用圖2的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行，吸收劑量為900 kGy。電子束刻蝕PC基膜在重鉻酸鉀/濃硫酸溶液中90 oC下腐蝕10 h，未輻照到的PC基膜的部分變化不大，而PC基膜上的輻照小孔潛影則被全部腐蝕掉，這就確保了輻照聚碳酸酯基膜上的小孔圖像完全顯現(xiàn)（顯影），結(jié)果得到了如圖8所示的微孔聚碳酸酯基分離膜。

圖8中的聚碳酸酯分離膜是用1 mm厚的鉛掩膜制得，掩膜的小孔分別為?=400 μm和?=120 μm，利用?120 μm鉆頭在鉛板上打的孔。由于PC薄膜為透明材料，利用光學(xué)顯微鏡很難觀察，所以本研究把強(qiáng)酸溶液腐蝕后的薄膜利用黑色墨水上色后，空氣吹去孔洞位置的墨水，墨水干后，利用光學(xué)顯微鏡的照相相機(jī)觀察得到HS形狀（圖8a）和K形狀（圖8b）的圖片。

3 結(jié)論

利用電子束刻蝕及氧化腐蝕相結(jié)合的方法制備得到了孔徑為120 μm的高分子微孔分離膜，為電子束刻蝕法制備更小孔徑的分離膜提供了理論基礎(chǔ)。烏氏粘度法、差示掃描量熱分析、換紅外光譜分析等多種手段研究了聚碳酸酯的降解性能，結(jié)果表明聚碳酸酯發(fā)生了輻照降解，并且屬于無規(guī)降解類型，間接證明了聚碳酸酯在0～1 800 kGy 劑量范圍內(nèi)輻照降解機(jī)理占優(yōu)勢(shì)，為高分子輻照降解制造分離膜提供了理論依據(jù)。

1Nishizawa M， Menon V P， Martin C R. Metal nanotubule membranes with electrochemically switchable iontransport selectivity［J］. Science， 1995， 268: 700-702. DOI: 10.1126/science.268.5211.700.

2張琨， 林罡， 劉剛， 等. 電子束光刻技術(shù)的原理及其在微納加工與納米器件制備中的應(yīng)用［J］. 電子顯微學(xué)報(bào)，2006， 25（2）: 97-103. DOI: 10.3969/j.issn.1000-6281.2006. 02.003. ZHANG Kun， LIN Gang， LIU Gang， et al. Principle of electron beam lithography and its application on the nanofabrication and nanodevice［J］. Journal of Chinese Electron Microscopy Society， 2006， 25（2）: 97-103. DOI: 10.3969/j.issn.1000-6281.2006.02.003.

3陳寶欽， 趙珉， 吳璇， 等. 電子束光刻在納米加工及器件制備中的應(yīng)用［J］. 微納電子技術(shù)， 2008. 45（18）: 683-688. DOI: 10.3969/j.issn.1671-4776.2008.12.001. CHEN Baoqin， ZHAO M in， WU Xuan， et al. Electron beam lithography application on the nanofabrication and nanodevice［J］. Micronanoelectronic Technology， 2008，45（18）: 683-688. DOI: 10.3969/j.issn.1671-4776.2008. 12.001.

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6趙文彥， 潘秀苗. 輻射加工技術(shù)及其應(yīng)用［M］. 北京:兵器工業(yè)出版社， 2003: 12-24， 399-403. ZHAO Wenyan， PAN Xiumiao. Radiation procession technology and application［M］. Beijing: The Publishing House of Ordnance Industry， 2003: 12-24， 399-403

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Preparation of polycarbonate microporous membrane by electron beam etching

WANG Ying1HAO Xufeng2WU Xinfeng3ZHOU Ruim in3JIA Shaojin1
1（ Department of Chemical Engineering and Technology， Shanghai University， Shanghai 201800， China）2（Shanghai Aerospace Resin-based Composite Materials Engineering and Technology Research Center， Shanghai Composites Science & Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201112， China）3（Shanghai Applied Radiation Institute， Shanghai University， Shanghai 201800， China）

Polycarbonate （PC） membranes with regular and vertical channels were prepared by electron beam（EB） with the methods of masks and oxygenation corrosion. Ubbelohde viscometer， gel permeation chromatography（GPC）， differential scanning calorimetry （DSC） and Fourier transform infrared spectroscopy （FT-IR） were used to characterize the structure and properties of irradiated PC. The results showed that the relative molecular weight，number average molecular weight and glass transition temperature of PC decreased with the increasing absorbed doses. Infrared analysis show ed that the main chain of PC ruptured after being etched by electron beam. The kinetic analysis showed that the irradiation degradation of PC was a type of non-conventional degradation， giving the theoretical basis for the preparation of PC microporous membrane by electron beam etching.

WANG Ying （female） was born in February 1985， and received her bachelor degree from Shanghai University in 2007. Now she is a master candidate at Applied Chemistry of Shanghai University

23 October 2015； accepted 18 January 2016

Electron beam（EB）， Etch， Polycarbonate（PC）， Microporous membrane， Irradiation degradation

Ph.D. WU Xinfeng， lecturer， E-mail: coolwu1234@163.com

O633.21，TL13

10.11889/j.1000-3436.2016.rrj.34.030303

國家自然科學(xué)基金（51403124）、中國博士后科學(xué)基金（2015M 571459）、東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助課題（LK1419）項(xiàng)目資助

王瑛，女，1985年2月出生，2007年畢業(yè)于上海大學(xué)，現(xiàn)為上海大學(xué)環(huán)化學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)在讀碩士研究生

吳新鋒，博士，講師，E-mail: coolwu1234@163.com

初稿2015-10-23；修回2016-01-18

Supported by the National Natural Science Foundation of China （51403124）， Project Funded by China Postdoctoral Science Foundation （2015M 571459） and State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials， Donghua University （LK1419）