CN102583233A

CN102583233A - 一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法

Info

Publication number: CN102583233A
Application number: CN2012100663867A
Authority: CN
Inventors: 张海霞; 张晓升; 尼古拉斯·皮特; 朱福运; 褚世敢
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: CN102583233B

Abstract

本发明公开了一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，包括如下步骤：步骤1：将聚二甲基硅氧烷聚合物本体与聚合物引发剂按照一定的质量比，混合均匀形成聚二甲基硅氧烷预聚体；步骤2：通过压印或铸造的方法，控制温度和时间，将模板表面的纳米森林结构图形转移至聚二甲基硅氧烷表面，形成具有密集纳米阵列结构表面的聚二甲基硅氧烷薄膜；步骤3：控制深反应离子刻蚀设备的工艺参数，利用不同气体组合，对具有纳米阵列结构表面的聚二甲基硅氧烷薄膜进行物理和化学处理。本发明优点效果：利用纳米森林结构表面作为模板，并结合等离子体刻蚀工艺进行表面改性，从而实现接触角小于5°的稳定超亲水聚二甲基硅氧烷膜。

Description

一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法

技术领域

本发明涉及微纳加工技术领域，特别涉及一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法。

背景技术

聚二甲基硅氧烷(即Polydimethylsiloxane，简写为PDMS，下同)，是一种高分子有机硅化合物，又被称为有机硅。它具有成本低，无毒，不易燃，生物兼容性好，且透光性优异等特点，因此在微纳加工技术领域，特别是微流控、生物医学微系统等方向应用广泛。

疏水性是PDMS固有属性之一，光滑PDMS表面本身就具有疏水特性，与微小水滴(4-10μL，去离子水)接触角约为105°～120°，而材料表面与水滴接触角大于90°即为疏水。因此，利用表面图形化和化学改性等方法，很容易实现接触角大于150°的超疏水PDMS薄膜材料。但由于PDMS固有的疏水特性，实现具有亲水性，特别是超亲水性的PDMS薄膜仍然是当前国内外的研究热点。

另一方面，随着PDMS在微流控、生物医学微系统等领域应用的拓展和深入，特别是在自清洁、防雾和提高表面热交换效率等研究领域，研究人员迫切希望实现具有超亲水特性的PDMS薄膜材料。氧等离子体处理(oxygen plasma treatment)、表面化学处理(surfacechemical modification)和紫外线辐照(UV radiation)等方法被广泛用于具有亲水性的PDMS薄膜的制备。其中，紫外线辐照法很难实现具有极小接触角的超亲水PDMS薄膜。而氧等离子体处理法和表面化学处理法虽然可以实现小于5°的极小接触角，但所制备PDMS薄膜的超亲水特性很难长期稳定保持。目前已有将氧等离子体处理和表面化学处理结合起来的多步方法，实现长期稳定超亲水PDMS薄膜，但多步工艺导致成本增加，且超亲水均一性难以保证，限制了其推广和应用。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，利用纳米森林结构表面作为模板，通过图形转移实现具有纳米尺度结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，并结合等离子体刻蚀工艺进行表面改性，从而实现接触角小于5°的稳定超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜。

本发明技术方案是：一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将PDMS聚合物本体与聚合物引发剂按照一定的质量比，混合均匀形成PDMS预聚体；

步骤2：通过压印或铸造的方法，控制温度和时间，将模板表面的纳米森林结构图形转移至PDMS表面，形成具有密集纳米阵列结构表面的PDMS薄膜；

步骤3：控制深反应离子刻蚀设备的工艺参数，利用不同气体组合，对具有纳米阵列结构表面的PDMS薄膜进行物理和化学处理；

进一步地，步骤1中所述PDMS聚合物本体，其成分为二甲基-甲基乙烯基硅氧烷。

进一步地，步骤1中所述PDMS聚合物引发剂，其成分为二甲基-甲基氢硅氧烷。

进一步地，步骤1中所述PDMS聚合物本体与聚合物引发剂混合质量比为5∶1～20∶1。

进一步地，步骤2中所述模板表面的纳米森林结构为柱状或椎体状或筛孔状，结构单体深宽比为1∶1～20∶1，高度为10nm～10μm，密度为10～200个/μm²。

进一步地，步骤2中所述温度为50～100℃，时间为15分钟～2小时。

进一步地，步骤2中所述密集纳米阵列结构为柱状或椎体状或筛孔状，结构单体深宽比为1∶1～10∶1，高度为10nm～1μm，密度为10～100个/μm²。

进一步地，步骤3中所述深反应离子刻蚀设备的工艺参数包括，平板功率为0W，线圈功率为900～1200W，压强为1×10^-6Pa～0.1Pa，气体流量为100sccm。

进一步地，步骤3中所述不同气体组合包括，依次通入的SF₆和O₂，时间依次为3～8分钟和8～12分钟。

进一步地，步骤3中所述不同气体组合包括，依次通入的SF₆和CHF₃，时间依次为3～8分钟和8～12分钟。

进一步地，步骤3中所述不同气体组合包括，依次通入的SF₆、O₂和CHF₃，时间依次为3～8分钟、8～12分钟和8～12分钟。

本发明优点效果：本发明提出的基于纳米森林模板的超亲水PDMS薄膜制备方法，工艺方法简单，成本低廉，且适用于大面积批量化加工。利用PDMS的液-固转化过程中所具有的结构图形转移功能，将模板表面的密集纳米森林结构图形转移至PDMS表面，提高了水滴在表面浸润的效率。此外，所述利用深反应离子刻蚀设备，通过不同气体组合，可对PDMS固体表面同时进行物理和化学处理。其中，高能等离子体对PDMS表面进行物理处理；而该等离子体同样会进行复杂的化学反应，在PDMS表面生成聚合物薄膜，从而实现化学处理。利用本发明提出的新方法，所制备的PDMS样品经测试，超亲水性均一，具有极小接触角，可达小于1°，且长期放置后超亲水特性依然稳定。

附图说明

图1为本发明的基于纳米森林模板的超亲水PDMS薄膜制备方法的工艺流程图；

图2为本发明所述具有密集纳米森林结构表面的模板的扫描电子显微镜照片；

图3为本发明所述制备方法步骤110纳米森林图形转移至PDMS表面的加工结果图；

图4为本发明所述制备方法步骤120控制等离子体刻蚀工艺参数对PDMS表面进行处理的加工结果图；

图5为利用本发明所述制备方法加工所得的样品未接触的超亲水性能测试结果图。

图6为利用本发明所述制备方法加工所得的样品接触0秒的超亲水性能测试结果图。

图7为利用本发明所述制备方法加工所得的样品接触2.5秒的超亲水性能测试结果图。

图8为利用本发明所述制备方法加工所得的样品接触5秒的超亲水性能测试结果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

下面结合附图1-图8阐述本发明提供的基于纳米森林模板的超亲水PDMS薄膜制备方法步骤。

实施例一：

步骤1：将PDMS聚合物本体与聚合物引发剂按照5∶1～20∶1的质量比，混合均匀形成PDMS预聚体，然后放置于密封腔体中，利用真空泵抽取气体10～45分钟，直至PDMS预聚体中无气泡残留；

步骤2：将具有密集纳米森林结构表面的模板放置在PDMS预聚体底部，然后放置于密封腔体中，利用真空泵抽取气体10～45分钟，直至PDMS预聚体中无气泡残留；

步骤3：将步骤2中PDMS预聚体放置于烘箱中加热固化，温度为70～100℃，时间为1～2小时；

步骤4：将PDMS薄膜从具有密集纳米森林结构的模板表面剥离下来，即可得到具有密集纳米阵列结构表面的PDMS薄膜；

步骤5：控制深反应离子刻蚀设备的工艺参数，依次通入SF₆、O₂和CHF₃气体进行表面处理，即可得到接触角极小的超亲水PDMS薄膜。

参照图1，图1为本发明的基于纳米森林模板的超亲水PDMS薄膜制备方法的工艺流程图。上述步骤1-4中所述工艺加工过程即为本发明所述制备方法的步骤110，通过铸造的方法，将模板表面的纳米森林结构图形转移至PDMS表面，形成具有密集纳米阵列结构表面的PDMS薄膜。

参照图2，图2为本发明所述具有密集纳米森林结构表面的模板的扫描电子显微镜照片。上述步骤2中所述模板表面的密集纳米森林结构为柱状或椎体状或筛孔状，结构单体深宽比为1∶1～20∶1，高度为10nm～10μm，密度为10～200个/μm²。

参照图3，图3为本发明所述制备方法步骤110纳米森林图形转移至PDMS表面的加工结果图。上述步骤4中所述PDMS薄膜表面的密集纳米阵列结构为柱状或椎体状或筛孔状，结构单体深宽比为1∶1～10∶1，高度为10nm～1μm，密度为10～100个/μm²。

参照图4，图4为本发明所述制备方法步骤120控制等离子体刻蚀工艺参数对PDMS表面进行处理的加工结果图。上述步骤5中所述深反应离子刻蚀设备工艺参数为：平板功率为0W，线圈功率为900～1200W，压强为1×10^-6Pa～0.1Pa，气体流量为100sccm。上述步骤5中所述依次通入SF₆、O₂和CHF₃气体，持续时间依次为3～8分钟、8～12分钟和8～12分钟。

参照图5-图8，图5-图8为利用本发明所述制备方法加工所得的样品的超亲水性能测试结果图。上述步骤5中所述超亲水PDMS薄膜的接触角小于1°。

实施例二：

步骤2：将PDMS预聚体放置于烘箱中加热，形成柔软的PDMS半固体，温度为50～70℃，时间为15～30分钟；

步骤3：将具有密集纳米森林结构表面的模板放置在PDMS半固体顶部，然后均匀按压模板，使模板与PDMS半固体紧密结合；

步骤4：将步骤3中的PDMS半固体放置于烘箱中加热固化，温度为70～100℃，时间为1～2小时；

步骤5：将PDMS薄膜从具有密集纳米森林结构的模板表面剥离下来，即可得到具有密集纳米阵列结构表面的PDMS薄膜；

步骤6：控制深反应离子刻蚀设备的工艺参数，依次通入SF₆、O₂和CHF₃气体进行表面处理，即可得到接触角极小的超亲水PDMS薄膜。

参照图1，图1为本发明的基于纳米森林模板的超亲水PDMS薄膜制备方法的工艺流程图。上述步骤1-5中所述工艺加工过程即为本发明所述制备方法的步骤110，通过压印的方法，将模板表面的纳米森林结构图形转移至PDMS表面，形成具有密集纳米阵列结构表面的PDMS薄膜。

以上对本发明所提供的一种基于纳米森林模板的超亲水PDMS薄膜制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将聚二甲基硅氧烷聚合物本体与聚合物引发剂按照一定的质量比，混合均匀形成聚二甲基硅氧烷预聚体；

步骤2：通过压印或铸造的方法，控制温度和时间，将模板表面的纳米森林结构图形转移至聚二甲基硅氧烷表面，形成具有密集纳米阵列结构表面的聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤3：控制深反应离子刻蚀设备的工艺参数，利用不同气体组合，对具有纳米阵列结构表面的聚二甲基硅氧烷薄膜进行物理和化学处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，其特征在于：步骤1中所述聚二甲基硅氧烷聚合物本体，其成分为二甲基-甲基乙烯基硅氧烷；步骤1中所述聚二甲基硅氧烷聚合物引发剂，其成分为二甲基-甲基氢硅氧烷。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，其特征在于：步骤1中所述聚二甲基硅氧烷聚合物本体与聚合物引发剂混合质量比为5∶1～20∶1。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，其特征在于：步骤2中所述模板表面的纳米森林结构为柱状或椎体状或筛孔状，结构单体深宽比为1∶1～20∶1，高度为10nm～10μm，密度为10～200个/μm²。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，其特征在于：步骤2中所述温度为50～100℃，时间为15分钟～2小时。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，其特征在于：步骤2中所述密集纳米阵列结构为柱状或椎体状或筛孔状，结构单体深宽比为1∶1～10∶1，高度为10nm～1μm，密度为10～100个/μm²。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，其特征在于：步骤3中所述深反应离子刻蚀设备的工艺参数包括，平板功率为0W，线圈功率为900～1200W，压强为1×10^-6Pa～0.1Pa，气体流量为100sccm。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，其特征在于：步骤3中所述不同气体组合包括，依次通入的SF₆和O₂，时间依次为3～8分钟和8～12分钟。

9.根据权利要求1或2所述的一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，其特征在于：步骤3中所述不同气体组合包括，依次通入的SF₆和CHF₃，时间依次为3～8分钟和8～12分钟。

10.根据权利要求1或2所述的一种基于纳米森林模板的超亲水聚二甲基硅氧烷薄膜制备方法，其特征在于：步骤3中所述不同气体组合包括，依次通入的SF₆、O₂和CHF₃，时间依次为3～8分钟、8～12分钟和8～12分钟。