CN101830428B - 一种以微针阵列制造超疏水表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，属于超疏水表面制备领域。将一定截面的微针组装成阵列，得到一级或一级以上粗糙的阵列表面；在上述的阵列表面，根据不同的微针材料选择相应的刻蚀溶液，采用刻蚀的方法获得次级粗糙结构；在具有次级粗糙的微针阵列表面，用氟硅烷溶液进行低表面能处理，取出后经过恒温烘干即得到具有二级或多级粗糙结构的阵列超疏水表面。本发明克服现有技术的不足，使用者只需进行简单的微针的组装就可以得到一个具有粗糙结构的阵列表面，再辅以阵列表面的刻蚀和低表面能处理就能得到分级粗糙结构的阵列超疏水表面，大大提高制造效率，节省设计制造成本和时间耗费，提高了表面抗外力破坏能力。
Description
技术领域
本发明属于超疏水表面制备领域，涉及到一种以微针阵列制造超疏水表面的方法。
背景技术
在日常生活和工业生产很多领域中，具有特殊浸润性的表面具有广阔的应用前景，如玻璃等的防雾及其自清洁、高端纺织品的防污、输油等管道及军事领域的潜艇、水下导弹的减阻等。
浸润性是材料表面特性的重要指标之一。与水接触角大于150°，滚动角小于10°的表面被称作为超疏水表面。仿生学的研究发现，固体表面表观浸润性不仅与固体表面材料的化学成分有关，微纳分级结构对于表面的超疏水特性也起着重要的作用，对于平坦表面而言，对水的接触角一般只能达到120°。超疏水表面的制备技术总体分为三类：
(1)自上而下的(Top-down)刻蚀或印制类技术，如激光刻蚀法、印制法等；
(2)自下而上(Bottom-up)的覆膜与自组装生长技术，如化学气相沉积或电化学沉积法、纳米材料自组装生长法等；
(3)自上而下和自下而上两类的复合技术。
以往的许多专利中都有制备超疏水表面的过程，如：专利CN1872661A，公开了一种用微纳米离子沉积排列于基底上，然后辅以氟化修饰的一种超疏水表面方法，属于第三类技术；专利CN1760112A，以微加工和阳极氧化为基础用纳米压痕法在聚合物薄膜上制备超疏水表面，属于第一类技术。
对于阵列超疏水表面的形貌参数可控的优良特性，不少学者对此进行了研究。譬如江雷课题组进行了仿蚊子复眼制造的微纳阵列仿复眼结构及碳纳米管阵列湿润性的研究；Y.K.Choi课题组报道的微碗阵列结构等。H.S.Zhou等用自下而上的方法制备的纳米针列。
但是上述这些制造技术仍然不能大量制造性能优越的阵列超疏水表面，主要问题还是在于制造工艺复杂、制作成本高、周期长、材料特殊，需要特别的高精度加工设备及高技术人员，特别是不能适应工作环境要求，而纳米材料构筑的超疏水表面只能小面积、小范围的制备，生产条件苛刻，这些都不能适应工业化的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是从另一个角度提出了一种设计制造多级粗糙结构的阵列超疏水表面的方法，克服现有的设计制造技术的不足。使用者只需进行简单的微针的组装就可以得到一个具有粗糙结构的阵列表面，再辅以阵列表面的刻蚀和低表面能处理就能得到分级粗糙结构的阵列超疏水表面，大大提高制造效率，节省设计制造成本和时间耗费，提高了表面抗外力破坏能力。
本发明的技术方案如下：
本发明利用目前已经能够大规模工业化生产的微针进行组装，得到阵列的微米尺度的粗糙结构表面，通过刻蚀的方法在针状物尖上得到次级的粗糙结构，再经过低表面能处理得到超疏水表面。
一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，包括以下步骤：
步骤1：微针阵列的组装：将直径为10μm～500μm微米的微针组装成阵列，得到一级粗糙或一级以上粗糙的阵列表面，微针可以采用微棒等代替。所用的微针或微棒等，其横截面可以是圆形、四边形或六边形等各种形状，阵列表面可以是平面、二维或者三维曲面。
步骤2：次级微结构的刻蚀构造：在步骤1得到的粗糙阵列表面上，根据不同的微针材料选择相应的刻蚀溶液，采用刻蚀的方法获得次级粗糙结构。
步骤3：低表面能处理：在步骤2得到的一级粗糙或一级以上粗糙的阵列表面上，用氟硅烷溶液进行低表面能处理，取出后经过恒温烘干即得到具有多级粗糙结构的阵列超疏水表面。氟硅烷溶液所用溶剂为甲醇、乙醇或者正己烷。
本发明的效果和益处是：
1)本发明提供的阵列超疏水表面的抗外力破坏能力强，是超疏水表面走向应用的基础。
2)可以控制超疏水表面的湿润性质，依据不同的阵列参数，可以得到不同湿润性的表面。
3)本发明所使用的材料都是已经大规模工业化生产的产品，容易获得或者制造，给大规模应用提供一个很大的市场选择范围。
4)本发明可以模块化制作，大规模组装成大面积的阵列超疏水表面，是工业化应用的前提。
5)本发明提供的阵列超疏水表面制作方法简单，无需很多复杂、昂贵的设备仪器。
6)本发明中制作的针列，可以作为其他阵列超疏水表面的模板，可以用作压印板在其他相对较软的基底上产生阵列微结构，可以进一步处理成阵列超疏水表面。
附图说明
图1是阵列超疏水表面制备流程示意图。
图2是不锈钢微针阵列超疏水表面制备流程示意图。
图3是不锈钢微针阵列超疏水表面效果图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1
实施例中以不锈钢微针为例，设计微针直径为140μm的阵列超疏水表面。
(1)组装阵列结构：取适量的直径为140μm的不锈钢微针，放入无水乙醇中湿润；然后放入事先准备好的针列夹具中，将不锈钢微针排列整齐，针尖朝着一侧用夹具夹紧，用超声波清洗5-10分钟，针尖的一侧具有阵列结构的粗糙表面。
(2)将针尖的一端浸入FeCl3刻蚀溶液，FeCl3∶H2O＝4∶15(质量比)，辅助成分的配比为H2O∶HCl∶H3PO4∶H2O2＝15∶1～2∶1～2∶1～2(体积比)中刻蚀20-30分钟，取出用无水乙醇超声波清洗5-10分钟，洗净针尖表面残留物，自然晾干。
(3)将配置好的氟硅烷(十三氟辛基三乙氧基硅烷F8261)乙醇溶液(质量百分数为1％)倒入烧杯中，将上述步骤(2)中晾干的针列针尖一端浸泡入氟硅烷溶液中2小时后，随即放入烘箱中，温度为120℃-140℃，时间1小时-2小时取出。在针尖上就覆盖了一层氟硅烷，便制作成了一个阵列超疏水表面。
本方法同样适用于类似的其它材料的微针。
Claims (4)
1.一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，其特征包括以下步骤：
步骤1：微针阵列的组装：将直径为140微米的微针组装成阵列，得到一级粗糙或一级以上粗糙的阵列表面；
步骤2：次级微结构的刻蚀构造：在步骤1得到的一级粗糙或一级以上粗糙的阵列表面上，根据不同的微针类部件材料选择相应的刻蚀溶液，采用刻蚀的方法获得次级粗糙结构；
步骤3：低表面能处理：在步骤2得到的粗糙针尖阵列表面上，用氟硅烷溶液进行低表面能处理，取出后经过恒温烘干即得到具有多级粗糙结构的阵列超疏水表面；氟硅烷溶液所用溶剂为甲醇、乙醇或者正己烷。
2.根据权利要求1所述的一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，其特征还在于，阵列表面是平面、二维或者三维曲面。
3.根据权利要求1或2所述的一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，其特征还在于，微针采用微棒代替。
4.根据权利要求1或2所述的一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，其特征还在于，所述的微针为不锈钢微针，具体步骤如下：
（1）组装阵列结构：取直径为140微米的不锈钢微针，放入无水乙醇中湿润；然后放入事先准备好的针列夹具中，将不锈钢微针排列整齐，针尖朝着一侧用夹具夹紧，用超声波清洗5-10分钟，针尖的一侧具有阵列结构的粗糙表面；
（2）将不锈钢微针针尖的一端浸入FeCl3刻蚀溶液，FeCl3:H2O =4:15(质量比)，辅助成分的配比为H2O:HCl:H3PO4:H2O2=15:1~2 :1~2 :1~2（体积比）中刻蚀20-30分钟，取出用无水乙醇超声波清洗5-10分钟，洗净针尖表面残留物，自然晾干；
（3）将配置好的质量百分数1%的十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液倒入烧杯中，将上述（2）中晾干的针列针尖一端浸泡入十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液中2小时后，随即放入烘箱中，温度为120℃-140℃，时间1小时-2小时取出；在针尖上就覆盖了一层氟硅烷，便制作成了一个阵列超疏水表面。
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