CN104191602A - 超疏水聚四氟乙烯薄膜及其微纳米压印制备方法与应用 - Google Patents

超疏水聚四氟乙烯薄膜及其微纳米压印制备方法与应用 Download PDF

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龚鼎为
张红军
龙江游
范培迅
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Abstract

本发明公开了一种超疏水聚四氟乙烯薄膜及其微纳米压印制备方法与应用。该方法，包括如下步骤：将聚四氟乙烯薄膜置于具有类荷叶微纳米结构的金属模具上进行热压，热压完毕后卸压冷却至室温，将所述聚四氟乙烯薄膜从所述金属模具表面分离，完成所述聚四氟乙烯薄膜表面的微纳米压印方法，得到表面分布着大量微米级凸起、每个微米级凸起表面存在纳米级亚结构的聚四氟乙烯薄膜，该薄膜具有超疏水性。该方法具有制备效率高、压印聚四氟乙烯厚度范围广、微纳米结构参数可调、荷叶结构逼真等一系列综合优势，是现有其他方法所难以达到的，能高效、大面积、低成本地实现聚四氟乙烯薄膜的超疏水特性，有广泛的工业应用前景。

Description

超疏水聚四氟乙烯薄膜及其微纳米压印制备方法与应用
技术领域
本发明属于化学领域，涉及一种新材料及其制备方法，具体涉及一种超疏水聚四氟乙烯(PTFE或Teflon)薄膜及其微纳米压印制备方法与应用。 
背景技术
超疏水表面具有广阔的应用前景，如高层建筑玻璃的防尘自清洁、风力发电机叶片、天线、门窗防积雪，船、潜艇等外壳减小阻力，石油输送管道内壁、微量注射器针尖防止粘附堵塞，减少损耗，建筑、纺织品、皮革制品防水防污等，在节水、节能环保领域能发挥重要的作用。 
制备超疏水表面的基本方法是形成表面微纳米结构同时降低表面自由能或在低自由能材料表面形成微纳米结构。聚四氟乙烯是人工合成高分子材料，具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐气候、高润滑、不粘附、无毒害及优异的电气性能等，广泛应用于国防军工、原子能、石油、无线电、电力机械、化学工业等重要部门。聚四氟乙烯本身的表面自由能较低，表面与水的接触角在105°到110°，是一种疏水性材料。如能在聚四氟乙烯材料表面生成微纳米结构，进一步提高其与水的接触角从而形成超疏水性能自清洁功能，无疑将有更加广泛的应用前景。 
发明内容
本发明的目的是提供一种超疏水聚四氟乙烯薄膜及其微纳米压印制备方法与应用。 
本发明提供的聚四氟乙烯薄膜表面的微纳米压印方法，包括如下步骤： 
将聚四氟乙烯薄膜置于具有类荷叶微纳米结构的金属模具上进行热压，热压完毕后卸压冷却至室温，将所述聚四氟乙烯薄膜从所述金属模具表面分离，完成所述聚四氟乙烯薄膜表面的微纳米压印方法。 
上述方法中，聚四氟乙烯薄膜的厚度为0.05-5mm，具体为0.1-1mm。 
上述热压步骤中，温度为20～380℃，具体为130℃；压力为0-12吨，具体为5-6吨；时间为1-30分钟，具体为15分钟。 
所述方法还包括如下步骤：在将聚四氟乙烯薄膜置于具有类荷叶微纳米结构的金属模具上之后，在所述热压步骤之前，将所述聚四氟乙烯薄膜于热压机中进行预热； 
所述预热步骤中，预热时间具体可为10分钟，预热压力具体可为1吨，预热温度具体可为120℃； 
在所述预热步骤之后，由预热温度升温至热压温度的升温速率可根据实际情况按照常规操作进行调整，无需特别限定。 
所述具有类荷叶微纳米结构的金属模具是表面密集分布有微米级凹坑和凹坑内表面存在纳米级亚结构的金属模板，构成所述具有类荷叶微纳米结构的金属模具的材料选自模具钢、高速钢和硬质合金中的至少一种，可由超快激光制备；所述类荷叶微纳米结构与荷叶表面的微纳米结构相反； 
此外，按照上述方法得到的具有微纳米凸起结构的聚四氟乙烯薄膜，也属于本发明的保护范围。其中，所述微纳米级凸起结构的形状可为圆形或其他形状，其直径可为12～15μm，具体可为12μm、15μm，高度可为20～25μm，具体可为20μm、25μm；所述微米级凸起呈蜂窝状密集分布，所述微米级凸起之间的间距可为20～25μm，具体可为20μm、25μm。 
所述微纳米凸起上还可具有纳米级亚结构；所述纳米级亚结构的形状为丝状，直径具体为50～700nm。 
另外，上述本发明提供的具有微纳米凸起的聚四氟乙烯薄膜在超疏水中的应用及该具有微纳米凸起的聚四氟乙烯薄膜在制备超疏水材料中的应用，也属于本发明的保护范围。 
本发明由于采取以上技术方案，具有如下优点： 
(1)本发明利用热压微纳米压印的方式将类荷叶微纳米结构的金属模具中的微纳米结构复制到聚四氟乙烯表面，形成微米级突起结构，在每个微米级凸起顶部形成丰富的纳米丝状织构化结构，能形成与荷叶结构类似的微纳米结构，从而具有超疏水性。本方法微纳米结构复制程度高，微纳米结构参数如凸起外形、直径、深度、间距及凸起密集分布形式均可通过改变模具的对应参数进行精密调节，具有很大的灵活性； 
(2)本发明利用热压能实现不同厚度的聚四氟乙烯表面微纳米压印，其疏水性能具有持有性(2个月观测时间，疏水性能不变)和耐热性(可达180℃)。微纳米压印过程中热压机对工作环境没有要求，操作方便，有广泛的实用性； 
(3)本发明利用微纳米压印模具进行压印，压印过程对模具几乎无损耗，使聚四氟乙烯表面荷叶微纳米结构的获得具有高的重复性； 
(4)本发明利用微纳米压印模具进行压印，对模具尺寸没有限制，并且一次微纳米压印过程总时间不超过30分钟，明显高于已知方法，可以实现高效、大面积的聚四氟乙烯依稀荷叶微纳米结构。 
综上所述，本发明提供了一种用于压印聚四氟乙烯薄膜形成表面超疏水性荷叶微纳米结构的微纳米压印方法，这种利用微纳米压印模具进行表面“复制”的微纳米压印方法具有制备效率高，压印聚四氟乙烯厚度范围广，微纳米结构参数可调、荷叶结构逼真等一系列综合优势，是现有其他方法所难以达到的，能高效、大面积、低成本地实现聚四氟乙烯薄膜的超疏水特性，有广泛的工业应用前景。 
附图说明
图1为本发明实施例1和2所用的由超快激光制备的具有类荷叶微纳米结构的H13金属模具，图1b是图1a凹坑局部放大图； 
图2是本发明实施例1制备的1mm厚聚四氟乙烯板超疏水微纳米表面扫描电镜照片(其中图2(a)扫描电镜镜头位于样品表面正上方，图2(b)扫描电镜镜头位于样品表面上方与表面法线方向成30°倾角)； 
图3是本发明实施例2制备的0.1mm厚聚四氟乙烯薄膜超疏水微纳米表面扫描电镜照片(其中图3(a)扫描电镜镜头位于样品表面正上方，图3(b)扫描电镜镜头位于样品表面上方与表面法线方向成30°倾角)； 
图4是用本发明实施例1制备的1mm厚聚四氟乙烯板超疏水微纳米表面的疏水性测试。 
图5是用本发明实施例2制备的0.1mm厚聚四氟乙烯薄膜超疏水微纳米表面的疏水性测试。 
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。 
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。 
本发明的基本原理是采用热压机和类荷叶微纳米结构压印模具，进行加热加压复制，类荷叶微纳米结构模具中的微米级凹坑和凹坑底部的纳米级亚结构转印至聚四氟乙烯薄膜表面，形成与荷叶结构类似的密集分布的微米级凸起和其上的纳米级丝状亚结构，从而具有类似荷叶的超疏水性。 
实施例1、厚度为1mm的聚四氟乙烯薄膜的超疏水微纳米压印制备 
将1mm厚聚四氟乙烯薄膜置于具有类荷叶微纳米结构(图1)的金属模具上，放入热压机中，热压机先对材料进行预热，预热时间10分钟，预热压力1吨，预热温度120℃。然后将加热温度升为130℃，保持压力为5吨，保温保压时间15分钟，热压结束后卸压冷却至室温，将聚四氟乙烯薄膜从模具中脱模分离，完成聚四氟乙烯薄膜表面的微纳米压印方法。 
所得具有微纳米凸起结构的聚四氟乙烯薄膜的扫描电镜照片如图2所示。 
由图可知，该聚四氟乙烯薄膜表面分布着大量微米级凸起结构、每个微米级凸起结构表面存在纳米级亚结构，微米级凸起结构的直径为12微米、高度为20～25微米，相邻凸起间的间距为22～25微米，微米级凸起结构表面分布直径尺度为50～300纳米的丝状结构。 
用本实施例制备的1mm厚聚四氟乙烯，与水的接触角可达155度(如图4所示)， 可见，该实施例所得具有微纳米凸起结构的聚四氟乙烯薄膜具有超疏水性。 
实施例2、厚度为0.1mm的聚四氟乙烯薄膜的超疏水微纳米压印制备 
将厚度为0.1mm的聚四氟乙烯薄膜置于具有类荷叶微纳米结构(图1)的金属模具上(为保证薄膜均匀受压，在薄膜上再垫有一层1mm厚透明PC塑料成品)，放入热压机中，热压机先对材料进行预热，预热时间10分钟，预热压力1吨，预热温度120℃。然后将加热温度升为130℃，保持压力为6吨，保温保压时间15分钟，热压结束后卸压冷却至室温，将聚四氟乙烯薄膜从模具中脱模分离，完成聚四氟乙烯薄膜表面的微纳米压印方法。 
所得具有微纳米凸起结构的聚四氟乙烯薄膜的扫描电镜照片如图3所示。 
由图可知，该聚四氟乙烯薄膜表面分布着大量微米级凸起、每个微米级凸起表面存在纳米级亚结构，微米级凸起直径为15微米、高度为20～25微米，相邻凸起间的间距为20～25微米，微米级凸起表面分布直径尺度为50～700纳米的丝状结构。 
用本实施例制备的0.1mm厚聚四氟乙烯，与水的接触角可达155.3度(如图5所示)，可见，该实施例所得具有微纳米凸起结构的聚四氟乙烯薄膜具有超疏水性。 

Claims (8)

1.一种聚四氟乙烯薄膜表面的微纳米压印方法，包括如下步骤：
将聚四氟乙烯薄膜置于具有类荷叶微纳米结构的金属模具上进行热压，热压完毕后卸压冷却至室温，将所述聚四氟乙烯薄膜从所述金属模具表面分离，完成所述聚四氟乙烯薄膜表面的微纳米压印方法。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述聚四氟乙烯薄膜的厚度为0.05-5mm，具体为0.1-1mm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述热压步骤中，温度为20～380℃，具体为130℃；压力为0-12吨，具体为5-6吨；时间为1-30分钟，具体为15分钟。
4.权利要求1-3任一所述方法得到的具有微纳米凸起结构的聚四氟乙烯薄膜。
5.根据权利要求4所述的薄膜，其特征在于：所述微纳米凸起结构的形状为圆形，直径为12～15μm，高度为20～25μm；所述微米级凸起呈蜂窝状密集分布，所述微米级凸起之间的间距为20～25μm。
6.根据权利要求4或5所述的薄膜，其特征在于：所述微纳米凸起上具有纳米级亚结构；
所述纳米级亚结构的形状为丝状，直径具体为50～700nm。
7.权利要求4-6任一所述具有微纳米凸起的聚四氟乙烯薄膜在超疏水中的应用。
8.权利要求4-6任一所述具有微纳米凸起的聚四氟乙烯薄膜在制备超疏水材料中的应用。
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