專利名稱：一種制備超疏油表面的液體輔助成形法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功能表面制備技術(shù)領(lǐng)域，特指ー種制備超疏油表面的液體輔助成形法，其適用于聚合物超疏油表面的制備，尤其適用于簡易條件下的超疏油表面的制備。
背景技術(shù)：
超疏油表面是指能夠使表面張カ較小的液滴(如油液液滴)在其表面呈現(xiàn)大接觸角(>130° )的表面。由于能夠使油液液滴具有較大的接觸角，該表面將超疏水表面的性能拓展到了油液環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)異的自潔和減阻性能。因此，超疏油表面在近年來得到了廣泛的關(guān)注。已有的研究(“ー種新型超疏油表面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”，國家發(fā)明專利，申請?zhí)朇N201010132465. 4 ；Ahuja A, Taylor J A, Lifton V，Sidorenko A A，Salamon T R, LobatonE J，Kolodner P，Krupenkin T N. Nanonails:A Simple Geometrical Approach toElectrically Tunable Superlyophobic Surfaces. Langmuir2008,24:9-14.和 TutejaA，Choi W, Ma M，Mabry J M, Mazzella S A，Rutledge G C,McKinley G H，Cohen RE. Designing Superoleophobic Surfaces. Science2007，318:1618-1622.)表明，表面的超疏油性能的實(shí)現(xiàn)決定于表面上二次凹槽結(jié)構(gòu)，如附圖1所示，這種二次凹槽結(jié)構(gòu)2的最大特征是基底表面I上的二次凹槽結(jié)構(gòu)2的頂端截面積大于底端的截面積，這使得液面在沿著微結(jié)構(gòu)下降時，由于結(jié)構(gòu)之間的間隙突然變寬，使得液面與微結(jié)構(gòu)側(cè)壁之間的接觸角減小，一旦該接觸角小于液面在光滑表面上的前進(jìn)接觸角，液面將不會下降。所以超疏油表面制備的關(guān)鍵在于構(gòu)造出二次凹槽結(jié)構(gòu)表面。然而，采用目前已有的微加工エ藝制備具有二次凹槽結(jié)構(gòu)的表面存在一定困難。由于二次凹槽結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若采用模板法制備則會遇到難以脫模的問題。為解決難以脫模的問題，ー種直接的方法就是將模板通過化學(xué)或熱的方法去除掉，這將使得該模板不再可用，而模板本身的制備是比較困難的，所以這種方法體現(xiàn)不出模板法在成本上的優(yōu)勢。所以目前一般不采用模板法制備具有超疏油性能的二次凹槽結(jié)構(gòu)表面。為了實(shí)現(xiàn)這些二次凹槽結(jié)構(gòu)的精確制備，目前常用的方法是微納加工方法中的Boschエ藝和靜電紡絲方法。Boschエ藝需要在高真空條件下采用等離子體刻蝕待加工表面，獲取結(jié)構(gòu)可控性較好的ニ次凹槽結(jié)構(gòu)表面。然而，由于Boschエ藝需要高真空條件和等離子體刻蝕設(shè)備，所以其成本較高，難以在簡易的條件下獲取超疏油表面；而且Boschエ藝相對于模板法來說，其制備的效率和復(fù)現(xiàn)性都不如模板法。靜電紡絲方法是將所制備的圓柱狀細(xì)絲沉積在表面上后可構(gòu)造出二次凹槽結(jié)構(gòu)。這種方法可在簡易條件下制備超疏油表面，然而，由于細(xì)絲的直徑很小，構(gòu)造的二次凹槽結(jié)構(gòu)深度有限，這種有限深度的二次凹槽結(jié)構(gòu)使表面的超疏油性能及其穩(wěn)定性都受到影響，而且，由于細(xì)絲排布的規(guī)律性差，使得該方法難以實(shí)現(xiàn)二次凹槽結(jié)構(gòu)的可控制備?？傊湍壳爸苽涑栌捅砻娣椒▉砜?，采用Boschエ藝需要價格高昂的設(shè)備且制備過程復(fù)雜，而采用靜電紡絲法制備二次凹槽結(jié)構(gòu)的可控性差。為實(shí)現(xiàn)簡易條件下超疏 油表面的可控制備，本發(fā)明提出ー種液體輔助成形法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于制備超疏油表面的液體輔助成形法，實(shí)現(xiàn)簡易條件下的聚合物材料的超疏油表面的可控制備。本發(fā)明按下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種用于制備超疏油表面的液體輔助成形法，是將輔助成形液體注入到經(jīng)處理后具有選擇性潤濕性能的平直表面上，以液體和該平直表面作為模板通過復(fù)制模塑方法來實(shí)現(xiàn)二次凹槽結(jié)構(gòu)的制備。上述方法中，輔助成形液體作為模板使用，要求該液體與復(fù)制模塑法中所使用的液態(tài)聚合物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且難以混合，同時要求該液體對經(jīng)處理的表面在不同區(qū)域具有不同的潤濕響應(yīng)。上述方法中，經(jīng)處理后具有選擇性潤濕性能的平直表面是通過化學(xué)涂層的方法或物理加工的方法使平直表面上不同區(qū)域具有不同的潤濕性能，可通過一般的實(shí)現(xiàn)超疏水和超親水性能的辦法來實(shí)現(xiàn)。上述方法中，將輔助成形液體注入到經(jīng)處理的平直表面上時，輔助成形液體總停留在潤濕區(qū)域，而不會鋪展了潤濕性能差的區(qū)域，使得液體的表面總在不同的潤濕性能交界處與表面相交，同時液體表面的切線與平直表面間形成90°以上的接觸角(決定于不同區(qū)域的潤濕性能)。上述方法中，輔助成形液體與平直表面共同構(gòu)成模板后，采用一般的復(fù)制模塑法將其形狀復(fù)制固化下來，復(fù)制品的形狀與輔助成形液體的鋪展形狀和平直表面結(jié)構(gòu)呈互補(bǔ)關(guān)系，即形成的微結(jié)構(gòu)側(cè)壁與微結(jié)構(gòu)頂端表面間形成的角度小于90°，形成所謂的二次凹槽結(jié)構(gòu)。上述方法中，對二次凹槽結(jié)構(gòu)分布的調(diào)節(jié)可通過對平直表面上的潤濕區(qū)域和反潤濕區(qū)域的分布的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，二次凹槽結(jié)構(gòu)的三維控制可通過對平直表面上各區(qū)域的潤濕性能的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢由于作為模板的液體具有可重用性，所以該方法具有與模板法相同的優(yōu)勢。采用液體作為輔助模板，解決了二次凹槽結(jié)構(gòu)在模板法中難以脫模的問題。所需的設(shè)備簡單，可在簡易條件下實(shí)現(xiàn)超疏油表面的制備，制備成本低，容易批量制備。制備表面的二次凹槽結(jié)構(gòu)的可通過調(diào)節(jié)施加壓カ的時間和壓カ的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)。


圖1 二次凹槽結(jié)構(gòu)示意2液體輔助成形法流程I表面基底，2 二次凹槽結(jié)構(gòu)，3具有潤濕區(qū)域和反潤濕區(qū)域的平直表面，4反潤濕區(qū)域，5潤濕區(qū)域，6輔助成形液體，7液態(tài)聚合物，8具有二次凹槽結(jié)構(gòu)的超疏油表面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖2說明本發(fā)明提出的具體エ藝的實(shí)施細(xì)節(jié)和工作情況。制備超疏油表面的液體輔助成形法如附圖2所示，是將輔助成形液體6和具有潤濕區(qū)域5和反潤濕區(qū)域4的平直表面3作為模板，將模板的結(jié)構(gòu)復(fù)制記錄下來的方法。在實(shí)施過程中，首選需要獲取具有潤濕區(qū)域5和反潤濕區(qū)域4的平直表面3，處理的方法可選用現(xiàn)有的超疏水和超親水處理的方法，如首先對平直表面進(jìn)行毛化處理，提高其粗糙度，在通過一次化學(xué)涂層處理，使表面都具有超疏水性能或超親水性能，再通過ー軟模板對局部區(qū)域進(jìn)行親水或疏水的印痕處理，使局部區(qū)域的潤濕性能發(fā)生變化。在處理過程中，通過對軟模板的調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)表面的潤濕區(qū)域和反潤濕區(qū)域的分布。如圖2中的平直表面3的反潤濕區(qū)域4為陣列的圓形區(qū)域，而潤濕區(qū)域5為反潤濕區(qū)域4以外的區(qū)域。準(zhǔn)備好平直表面后，將輔助成形液體6注入到平直表面3上，可通過在潤濕區(qū)域注入，由于潤濕區(qū)域具有良好的潤濕性能，液體將在整個潤濕區(qū)域鋪展開，從而形成圖中所示的水模板過程后的輔助成形液體6的形狀。為后續(xù)復(fù)制模塑法的需要，輔助成形液體6不能與復(fù)制模塑法中所使用的液態(tài)聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且兩者難以混合，同時要求該液體對平直表面3的潤濕區(qū)域5具有良好的鋪展性能，而對反潤濕區(qū)域4具有較大的接觸角e，如圖所示。輔助成形液體6在平直表面3上鋪展后，液體表面與平直表面間形成大于90°的接觸角，形成的接觸角決定于反潤濕區(qū)域4的潤濕性能。在輔助成形液體與平直表面共同構(gòu)成模板后，采用一般的復(fù)制模塑法將模板的形狀復(fù)制固化下來，復(fù)制品的形狀與輔助成形液體的鋪展形狀和平直表面結(jié) 構(gòu)呈互補(bǔ)關(guān)系，即形成的微結(jié)構(gòu)側(cè)壁與微結(jié)構(gòu)頂端表面間形成的角度(附圖2中的a )小于90°，形成所謂的二次凹槽結(jié)構(gòu)。在液體輔助成形法中，對二次凹槽結(jié)構(gòu)分布的調(diào)節(jié)可通過對平直表面上的潤濕區(qū)域5和反潤濕區(qū)域4的分布的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，二次凹槽結(jié)構(gòu)的三維控制可通過對平直表面上反潤濕區(qū)域4的潤濕性能的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。成形完畢后將所制備的微納結(jié)構(gòu)表面8從平直表面3上取下(脫摸)并回收輔助成形液體，即可獲取具有二次凹槽結(jié)構(gòu)的表面8。已有的分析結(jié)果表明(AhujaA,Taylor J A,LiftonV, Sidorenko A A,Salamon T R,Lobaton E J,Kolodner P,Krupenkin T N. Nanonails:A Simple Geometrical Approach to Electrically TunableSuperlyophobic Surfaces. Langmuir2008, 24:9-14.和 Tuteja A,Choi W, Ma M, Mabry JM, Mazzella S A, Rutledge G C, McKinley G H, Cohen R E. Designing SuperoleophobicSurfaces. Science2007, 318:1618-1622.)，此類表面可實(shí)現(xiàn)超疏油性能。實(shí)施例采用硅片作為平直表面進(jìn)行處理，采用5%的HF溶液對硅片進(jìn)行腐蝕處理，腐蝕處理5分鐘,取出清洗。由于硅具有親水性,經(jīng)處理后的硅片表面對水具有較小的接觸角，水在其上容易鋪展。通過復(fù)制模塑方法采用PDMS制備出圓柱陣列結(jié)構(gòu)模板，圓柱直徑為30 U m,圓柱間距為 100 Umo 制備后將 PDMS 浸入 5% 的 trichlorol (1H, 1H, 2H, 2H-perf Iuorooctyl)silane的こ醇溶液中處理I小時，將PDMS模板的圓柱陣列結(jié)構(gòu)緊靠在已制備的硅片表面上，從而使圓柱陣列與硅片的接觸區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榉礉櫇駞^(qū)域，接觸角大于140°。
以水作為輔助成形液體，保持硅片水平，將水注入到制備的硅片上未被圓柱陣列接觸的區(qū)域，并采用顯微鏡監(jiān)測注入水的程度，直到所觀測到的未被液體占據(jù)的獨(dú)立空洞的直徑為 20i!m。經(jīng)該過程后即可獲取輔助成形液體與平直表面(硅片)構(gòu)成的模板。獲取模板后，將PDMS液體(經(jīng)稱量10 1的兩配方且經(jīng)過充分混合)滴加于水模板的上部，待PDMS表面高于水模板表面2mm為止。處理后將硅片移至真空干燥箱中進(jìn)行固化處理，該過程中需要保持硅片水平，對系統(tǒng)升溫至50° C反應(yīng)兩小時并進(jìn)一歩升溫到65° C反應(yīng)兩小吋。從硅片上掲下PDMS復(fù)制產(chǎn)品即為所需的具有二次凹槽結(jié)構(gòu)的表面。此表面理論上具有超疏油 性能。
權(quán)利要求
1.一種制備超疏油表面的液體輔助成形法，其特征是將輔助成形液體注入到經(jīng)處理后具有選擇性潤濕性能的平直表面上，以液體和該平直表面作為模板通過復(fù)制模塑方法來實(shí)現(xiàn)二次凹槽結(jié)構(gòu)的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，輔助成形液體作為模板使用，該液體與復(fù)制模塑法中所使用的液態(tài)聚合物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且難以混合，該液體對經(jīng)處理的表面在不同區(qū)域具有不同的潤濕響應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，經(jīng)處理后具有選擇性潤濕性能的平直表面是通過化學(xué)涂層的方法或物理加工的方法使平直表面上不同區(qū)域具有不同的潤濕性能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，輔助成形液體與平直表面共同構(gòu)成模板后，采用一般的復(fù)制模塑法將其形狀復(fù)制固化下來，復(fù)制品的形狀與輔助成形液體的鋪展形狀和平直表面結(jié)構(gòu)呈互補(bǔ)關(guān)系，即形成的微結(jié)構(gòu)側(cè)壁與微結(jié)構(gòu)頂端表面間形成的角度小于90°，形成所謂的二次凹槽結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，對二次凹槽結(jié)構(gòu)分布的調(diào)節(jié)可通過對平直表面上的潤濕區(qū)域和反潤濕區(qū)域的分布的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，二次凹槽結(jié)構(gòu)的三維控制可通過對平直表面上各區(qū)域的潤濕性能的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及功能表面制備技術(shù)領(lǐng)域，特指一種制備超疏油表面的液體輔助成形法，其適用于聚合物超疏油表面的制備，尤其適用于簡易條件下的超疏油表面的制備。該方法是將輔助成形液體注入到經(jīng)處理后具有選擇性潤濕性能的平直表面上，以液體和該平直表面作為模板通過復(fù)制模塑方法來實(shí)現(xiàn)二次凹槽結(jié)構(gòu)的制備。本發(fā)明所需的設(shè)備簡單，可在簡易條件下實(shí)現(xiàn)超疏油表面的制備，制備成本低，容易批量制備。
文檔編號B81C99/00GK103030105SQ20121057071
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者李健 申請人:江蘇大學(xué)