CN101970091A - 用于制造具有亲水性和疏水性的膜的方法 - Google Patents

用于制造具有亲水性和疏水性的膜的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于制造膜的方法，以向单一膜表面的预定位置既提供亲水性又提供疏水性。该用于制造膜的方法包括：制备一种在其外表面上形成有纳米级孔的模板；在该模板外表面的预定图样区域上涂覆一种聚合物材料；将一种亲水性薄膜附着在该模板的外表面上；以及从该亲水性薄膜去除该模板。

Description

用于制造具有亲水性和疏水性的膜的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造既具有亲水性又具有疏水性的膜的方法；更具体而言，涉及一种用于制造能够向单一膜表面的设定位置既提供亲水性又提供疏水性的膜的方法。
背景技术
通常，固体基材(例如金属或聚合物)的表面具有比表面能。该比表面能在液体与固体接触时表现为液体和固体之间的接触角。在此，液体一般指的是水或油等，在下文中水将代表性地作为液体而提及。如果接触角小于90°，球形水滴在固体表面上会失去其形状而湿润固体表面，表现为可润湿性。然而，如果接触角大于90°，球形水滴在固体表面上会维持其形状而很容易地通过外力流动，而不会湿润固体表面，表现为不可润湿性。例如，如果水滴落在荷叶上，它就不会湿润荷叶而是在荷叶表面上流动。这种现象表现为不可润湿性。
如果固体基材的表面经处理而具有细小的凸起和凹陷(不平坦性)，则该固体基材表面的比接触角的值可以变化。即，具有小于90°的接触角的亲水性表面通过表面处理可具有更大的可润湿性，而具有大于90°的接触角的疏水性表面通过表面处理可具有更大的不可润湿性。
迄今为止，已知的一种用于改变固体表面接触角的技术为其中应用半导体制造技术的MEMS(微电子机械系统)工艺。然而，该MEMS工艺——一种通过机械工程应用半导体技术的最新技术——的不利之处在于其制造过程非常复杂，且导致制造成本很高。即，为了通过使用MEMS工艺在固体表面上形成纳米级的凸起和凹陷，实施诸如氧化金属表面、施加特定温度和特定电压以及在特殊溶液中进行氧化和蚀刻的操作。该MEMS工艺不能在一般工作环境中实施，而应在专门制造的洁净室中实施，并且操作所需的机器都是造价很高的设备。因此，几乎不可能采用该MEMS工艺来形成疏水性表面，因为其工艺过程非常复杂，不适用于大量生产，且导致制造成本高昂。
除了所述MEMS工艺技术之外，还有一种通过使用化学处理方法来改变固体表面上的接触角的技术。然而，根据该化学处理方法制造的膜表现出与基底材料的结合力较低，且具有易摩擦损坏的涂覆薄膜。另外，该化学处理方法很难仅对某一特定区域进行化学处理，因此其不利之处在于：不能同时提供疏水性和亲水性，或者不能仅向特定区域提供疏水性。
在该背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明背景的理解，因此其可能包含有不构成在本国内对于本领域普通技术人员而言已知的现有技术的信息。
发明内容
技术问题
本发明致力于提供一种用于制造具有疏水性表面的膜的方法，该方法相比于现有技术的优势在于简化了处理过程且相对地降低了成本。同时，本发明还提供一种用于制造膜的方法，该方法的优势在于在制造具有疏水性表面的膜的过程中，在同时提供疏水性和亲水性时，仅向特定区域提供疏水性。
技术方案
本发明的一个示例性实施方案提供一种用于制造膜的方法，其包括：制备一种在其外表面上形成有纳米级孔的模板；在该模板外表面的预定图样区域上涂覆一种聚合物材料；将一种亲水性薄膜附着在该模板的外表面上；以及从该亲水性薄膜去除该模板。
本发明一个示例性实施方案的模板可以包括一个阳极化层，该阳极化层具有通过阳极化金属基底而在该金属基底的外表面上形成的纳米级孔。
本发明示例性实施方案的模板的阳极化层可以在将微米级颗粒喷射到该金属基底的表面之上以形成微米级的凸起和凹陷后形成。
根据本发明的示例性实施方案，涂覆聚合物材料包括：在该模板上涂覆该聚合物材料；在该聚合物材料上定位预定图样的掩模；以及去除除该预定图样区域之外的区域中的聚合物材料。
在本发明的示例性实施方案中，可将光照射到该聚合物材料以改变没有被掩模遮蔽的区域中的聚合物材料的特性，并且可对该聚合物材料进行蚀刻以去除除该预定图样区域之外的区域中的聚合物材料。
在本发明的示例性实施方案中，涂覆聚合物材料包括：通过操作能将聚合物材料喷射至预定厚度的喷射器，将聚合物材料涂覆在预定图样区域上。
在本发明的示例性实施方案中，所述亲水性薄膜可以具有粘合特性，以使涂覆在模板上的聚合物材料可以附着至该亲水性薄膜。
在本发明的示例性实施方案中，去除模板包括：通过化学蚀刻去除模板。
在本发明的示例性实施方案中，去除模板包括：将模板与聚合物材料附着于其上的亲水性薄膜分离，使得该模板和亲水性薄膜可利用外力直接拉出。
在本发明的示例性实施方案中，在该模板的外表面上可以涂覆脱模剂。
有益效果
本发明示例性实施方案的用于制造膜的方法的优势在于：由于可以在膜的表面上提供疏水性而无需使用昂贵的设备，因而与现有技术中的MEMS工艺不同，制造成本可以降低且工艺过程可以简化。
本发明示例性实施方案的用于制造膜的方法的优势在于：可以在具有亲水性的膜的表面上提供疏水性，从而使该膜可以既具有亲水性又具有疏水性。
另外，本发明示例性实施方案的用于制造膜的方法的优势在于：可以在膜的表面上提供疏水性，使得该膜仅有预定的特定区域被提供疏水性。
附图说明
图1是示例说明根据本发明的一个示例性实施方案的用于制造既具有亲水性又具有疏水性的膜的方法的工艺流程图。
图2示出了在本发明示例性实施方案中使用的金属基底的透视图。
图3是显示用于在图2中的金属基底上形成微米级凸起和凹陷的颗粒喷射器的示意图。
图4是显示用于阳极化图2或3中金属基底的阳极化装置的示意图。
图5是显示在图3中的金属基底的表面上所形成的微米级凸起和凹陷的放大图。
图6是显示通过阳极化图5中的金属基底的表面而形成的具有纳米级孔的阳极化层的放大图。
图7是显示通过阳极化图2中的金属基底的表面而形成的具有纳米级孔的阳极化层的放大图。
图8是顺序地显示图1中用于制造膜的方法中每个步骤的平面图。
图9是顺序地显示图1中用于制造膜的方法中每个步骤的截面图。
具体实施方式
现将结合附图详细描述本发明的示例性实施方案，从而使得本领域中普通技术人员可以容易地实施本发明。本领域中普通技术人员应认识到，所述实施方案可以多种不同方式改变，所有这些改变均不偏离本发明的主旨或范围。
在本发明中，“微米级”被定义为等于或大于1μm且小于1000μm的范围内的尺寸，并且“纳米级”被定义为等于或大于1nm且小于1000nm的范围内的尺寸。
图1是示例说明根据本发明的一个示例性实施方案的用于制造既具有亲水性又具有疏水性的膜的方法的工艺流程图。
如图1所示，根据本发明示例性实施方案的用于制造膜的方法可制造既具有亲水性又具有疏水性的膜，使得可以通过实施以下步骤仅向预定图样区域提供疏水性。
在本发明的示例性实施方案中，实施步骤S1以制备在其外表面上形成有纳米级孔的金属模板。该金属模板可以通过将微米级颗粒喷射至如图2所示的金属基底110和210或阳极化金属基底110和210来制造。
金属基底110和210可以不必限于某一特定形状的结构，但是优选具有比预定区域大的表面，以使亲水性薄膜可以附着于其上。例如，金属基底110可以是如图2(a)所示的圆柱形结构，或者可以是如图2(b)所示的平板。金属基底110和210可以是由可被阳极化的铝制成，或者可以是一种涂覆铝的结构。
图3是显示用于在图2中的金属基底上形成微米级凸起和凹陷的颗粒喷射器的示意图。
如图2和3所示，在本发明的示例性实施方案中，通过喷射微米级颗粒11而在金属基底110的外表面上形成微米级凸起和凹陷。在本发明的示例性实施方案中，颗粒喷射器10可用于喷射颗粒。该颗粒喷射器10使得微米级颗粒10以预定速度和压力撞击金属基底110的表面。然后，随着金属基底110由于微米级颗粒11的冲击能量而变形，在金属基底110的外表面上形成微米级凸起和凹陷。在本发明示例性实施方案中所使用的颗粒喷射器10可以是用于喷射砂粒的喷砂器，还可以使用用于喷射微米级颗粒例如金属球而非砂粒的微米级颗粒喷射器。随着颗粒喷射器10的操作，在金属基底材料110的外表面上形成微米级的细小凸起和凹陷。
图4是显示用于阳极化图2或3中金属基底的阳极化装置的示意图。
如图2和4所示，在本发明的示例性实施方案中，通过阳极化金属基底110而在金属基底110的外表面上形成纳米级孔。在阳极化时，将金属基底110浸没于电解质溶液23中，然后向该金属基底110施加电极以在其表面形成阳极化层。
使用如图4所示的阳极化装置20来实施本发明示例性实施方案中的阳极化操作。在阳极化装置20中，将一定量的电解质溶液23(例如，0.3M草酸C2H2O4或磷酸)填充在主体21的内部容纳空间中以进行阳极化，所述金属基底浸没于其中。该氧化装置20包括供电单元25，金属基底材料110被连接至该供电单元25的阳极和阴极的其中之一，并将不同的金属基底材料26(铂)连接至该供电单元25的剩余节点。在此，不同的金属基底材料26可以是任意材料，只要其是可用于施加电力的导体即可。在实验条件下，供电单元25向金属基底110施加一个预定的恒定电压(例如，60V)，并将不同的金属基底材料26与该金属基底110保持一个预定距离(例如，50mm)。在这种情况下，用搅拌器搅拌电解质溶液23，并使其保持在一定温度，以防止溶液密度的局部偏差。然后，在金属基底110的表面上形成了作为阳极化层120的氧化铝。在实施阳极化操作后，将金属基底110从电解质溶液23中取出，用去离子水洗涤，然后在烘箱中在预定温度干燥一定时间。
通过这种方式，在金属基底材料110的外表面上形成微米级凸起和凹陷111，如图5所示。然后，通过阳极化在金属基底110的外表面上形成阳极化层120，如图5B所示。接着，除了在金属基底110上形成的微米级凸起和凹陷111外，还在阳极化层120上形成具有纳米级直径的纳米级孔121，其比微米级凸起和凹陷111更为细小。
或者，在本发明的示例性实施方案中可以不喷射颗粒，而仅实施阳极化操作，以在金属基底110的外表面上形成阳极化层120，如图7所示。
图8是顺序地显示图1中用于制造膜的方法中每个步骤的平面图，图9是顺序地显示图1中用于制造膜的方法中每个步骤的截面图。
如图1、8和9所示，制备在金属基底210上形成有阳极化层220的金属模板。接着，实施步骤S2，以将聚合物材料230涂覆在该金属模板的外表面上。在步骤S2中，将聚合物材料230涂覆为使其完全注入阳极化层220的纳米级孔中，然后凝结预定的时间(参见图8(b)或图9(b))。然后，聚合物材料230形成与阳极化层220的纳米级孔相对应的复制阴模结构(negative replica structure)，该复制阴模结构具有一种多个柱状物的形状。在这种情况下，在步骤S2中，可仅将聚合物材料230涂覆在预定图样区域上，以形成特定图样的复制阴模结构。
例如，可以根据以下三种方法涂覆聚合物材料230。
第一种方法是使用具有特定图样的掩模且将聚合物材料230仅涂覆在该掩模的预定图样上。即，在用于涂覆聚合物材料230的第一种方法中，首先，将聚合物材料230如光致抗蚀剂旋涂在阳极化层220上。当聚合物材料如光致抗蚀剂与特定波长的光反应时，该聚合物材料的性能发生变化。在用于涂覆聚合物材料230的第一种方法中，将用于遮蔽光的掩模置于旋涂的聚合物材料230上，接着将光照射于其上。该聚合物材料230的结合力仅在暴露于光的区域处减弱，从而将暴露的区域通过诸如蚀刻的处理去除。通过这种方式，在用于涂覆聚合物材料230的第一种方法中，可以通过使用掩模将聚合物材料230仅涂覆在预定图样区域上。
用于涂覆聚合物材料230的第二种方法是将聚合物材料230通过使用喷射聚合物材料230的喷射器而仅涂覆在期望存在的图样区域上。即，在用于涂覆聚合物材料230的第二种方法中，使用喷射器例如微型挤出机来以纳米级或微米级厚度喷射聚合物材料230。该喷射器可根据位置控制程序，沿着期望存在的图样动作，同时喷射预定厚度的聚合物材料，以将聚合物材料230仅涂覆在期望存在的图样区域上。
用于涂覆聚合物材料230的第三种方法是人工直接涂覆聚合物材料。即，在第三种方法中，如果图样形状不需要精确地形成，则可人工涂覆聚合物材料230。
在本发明的示例性实施方案中，在涂覆聚合物材料230之后，将亲水性薄膜240附着在金属模板的外表面上(S3)。优选地，作为亲水性薄膜240，使用一种具有较小的液体接触角且具有粘合特性以使聚合物材料230能够附着于其上的材料。
随后，在本发明的示例性实施方案中，将金属模板以分离的方式从亲水性薄膜240去除(S4)。
在步骤S4中，可以蚀刻该金属模板，从而使其以分离的方式从附着有聚合物材料230的亲水性薄膜240去除。如果金属模板是由铝材料制成的金属基底210，其可以通过饱和的氯化汞来进行蚀刻，且阳极化层220可以通过混合铬酸和磷酸获得的溶液进行蚀刻。
此外，步骤S4可以如下实施：可将附着有聚合物材料230的亲水性薄膜240直接拉出，从而使金属模板与附着有聚合物材料230的亲水性薄膜240分离。在这种情况下，在涂覆聚合物材料230前，优选将一种脱模剂涂覆在阳极化层220上。如此，聚合物材料230在与金属模板的阳极化层220分离的过程中将不会被损坏，而是可以附着在亲水性薄膜240上的状态而被容易地分离。
附着在亲水性薄膜240上的聚合物材料230是与阳极化层220的纳米级孔相对应的复制阴模结构，包含纳米级的柱状物。纳米级柱状物231形成的区域是具有最小的非润湿特征的疏水性表面，该疏水性表面上的液体接触角可以大幅度地增加到大于160°。
如上所述，在本发明的示例性实施方案中，可以在亲水性薄膜240的预定图样区域上形成纳米级柱状物231，由此制造出既具有疏水性表面又具有亲水性表面的膜。
尽管已结合目前被认为是实际可行的示例性实施方案对本发明进行了描述，但应理解的是，本发明并不限于所公开的实施方案，相反地，本发明意欲覆盖所附权利要求书的精神和范围内所包含的各种改变和等同方案。

Claims (10)

1.一种用于制造具有亲水性和疏水性的膜的方法，该方法包括：
制备一种在其外表面上形成有纳米级孔的模板；
在该模板外表面的预定图样区域上涂覆一种聚合物材料；
将一种亲水性薄膜附着在该模板的外表面上；以及
从该亲水性薄膜去除该模板。
2.权利要求1的方法，其中该模板包括一个阳极化层，该阳极化层具有通过阳极化金属基底而在该金属基底的外表面上形成的纳米级孔。
3.权利要求2的方法，其中该模板的阳极化层在将微米级颗粒喷射到该金属基底的表面上以形成微米级的凸起和凹陷后形成。
4.权利要求1的方法，其中涂覆聚合物材料包括：在该模板上涂覆该聚合物材料；在该聚合物材料上定位预定图样的掩模；以及去除除该预定图样区域之外的区域中的聚合物材料。
5.权利要求4的方法，其中将光照射到该聚合物材料以改变没有被该掩模遮蔽的区域中的聚合物材料的特性，并且蚀刻该聚合物材料以去除除该预定图样区域之外的区域中的聚合物材料。
6.权利要求1的方法，其中涂覆聚合物材料包括：通过操作能将聚合物材料喷射至预定厚度的喷射器，将该聚合物材料涂覆在预定图样区域上。
7.权利要求1的方法，其中该亲水性薄膜具有粘合特性，以使涂覆在模板上的聚合物材料附着至该亲水性薄膜。
8.权利要求1的方法，其中去除模板包括：通过化学蚀刻去除模板。
9.权利要求1的方法，其中去除模板包括：将模板与附着有聚合物材料的亲水性薄膜分离，从而使得该模板和该亲水性薄膜能够通过外力直接拉出。
10.权利要求9的方法，其中将一种脱模剂涂覆在该模板的外表面上。
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