CN106950618B - 一种利用仿生超疏水结构防止光学镜头结雾的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用仿生超疏水结构防止光学镜头结雾的方法，涉及微细加工领域，它解决了现有的防雾手段所存在的实施成本高、附加装置多、持续时间短、防雾效果差以及不易推广的问题，本发明的方法简单来说是：在光学镜头表面上制备出仿生超疏水结构，利用仿生超疏水结构的防雾特性来防止光学镜头结雾，本发明以仿腹色蜉复眼结构为例，具体来说是：先在平面基底上制备出仿腹色蜉复眼结构，利用此结构制备出PDMS软模板，同时合成新型光敏溶胶凝胶混合玻璃材料，最后利用PDMS软模板和合成的溶胶凝胶材料在光学镜头曲面上制备出仿腹色蜉复眼结构。本发明适用于光学仪器中光学镜头的防雾领域。

Description

一种利用仿生超疏水结构防止光学镜头结雾的方法

技术领域

本发明涉及光学领域、微细加工领域、新型功能性材料领域，具体涉及利用仿生超疏水结构防止光学镜头结雾的方法。

背景技术

国内外现有的防雾方法大致可以分为两类：第一类是消除水汽或温差；第二类是改变基材表面的润湿性。

第一类防雾方法所需要的附加装置较多，成本相对较高，易损坏，维修困难，并不是所有的情况下都能够适用，因此具有很大的局限性。

第二类防雾方法主要是从两个方面进行研究的：一是构建超亲水表面，使水蒸汽在基材表面不再凝结成小液滴而是形成一层透明的水膜，从而避免了小液滴的漫反射。

国内外关于超亲水防雾表面的研究已经非常广泛，但是其缺点是防雾时间往往比较短(例如使用防雾剂等)，不能够长期有效。

构建超疏水表面使水蒸汽在基材表面凝结成的小液滴能够迅速滚落，也可以达到防雾的目的。由于水滴在超疏水表面上奇特的润湿行为，超疏水表面在实现防雾的同时可以保持玻璃表面干燥，同时兼具防水、防潮、防冰冻、自清洁、抗腐蚀等其他好处，是一种非常理想的防雾方法。

2014年，澳大利亚卧龙岗大学超导和电子材料研究所的研究人员，基于常见绿蝇眼睛的复眼结构，使用锌纳米粒子通过两步自组装的方法成功地在平面基底上创建出超疏水防雾表面，该表面与水滴的静态接触角达到162.2°，滚动角大约为3°，表现出了良好的防雾效果。2014年，吉林大学的韩志武教授等人发现生活在四川省近水多雾环境中的腹色蜉复眼表面具有优良的超疏水防雾性能，该小组利用三光束激光干涉技术在单晶硅平面基底上制备了仿腹色蜉复眼的结构表面，遗憾的是他们所制备的仿生结构并没有完全展现出腹色蜉复眼本身所具有的优良的超疏水防雾性能。2007年，中国科学院的江雷院士和吉林大学的杨柏教授等人在平面基底上制备了仿蚊子复眼的超疏水防雾表面，该表面与水滴的静态接触角达到155°，滚动角大约为15°，具有一定的防雾效果。

无论是国内还是国外，尚未见到在光学镜头曲面上开展超疏水防雾研究的报道。然而，光学仪器中的光学镜头往往都是曲面的，光学镜头曲面的结雾现象尚没有有效的解决办法。

发明内容

为了防止光学镜头曲面发生结雾现象，本发明提供了一种利用仿生超疏水结构来防止光学镜头上发生结雾现象的方法。

本发明的技术方案是：

一种利用仿生超疏水结构防止光学镜头结雾的方法，包括如下步骤：

(1)平面基底上仿腹色蜉复眼结构的制备，腹色蜉的小眼可看作由上下两部分组成的，上部为半球形，下部为圆台形，半球直径、圆台上表面直径、圆台底部直径和小眼总高度分别为16μm、16μm、20μm、14μm，小眼之间呈六方紧密排列；首先将AZ9260光刻胶在低速和高速下匀胶，低速和高速分别为420r/min和3000r/min，在热板上95℃加热30min烘干后便可得到厚度为14μm的光刻胶层，然后利用光刻技术通过掩模曝光的方式在平面基底上获得底部直径20μm、顶部直径16μm的圆台结构，再通过热回流工艺将圆台结构放到140℃的热板上加热15分钟，便可制作出半球状的顶部结构，由此获得较大面积的仿腹色蜉复眼结构表面；

(2)合成新型光敏溶胶凝胶混合玻璃材料，合成步骤如下：将甲基丙烯酸-3-(三甲氧基硅基)丙酯(3-trimethoxysilyl propyl methacrylate)与异丙醇和水按特定比例混合，使其水解形成硅的氧化物溶胶，将金属有机物四异丙基钛与乙酰丙酮按照配方比例配制成钛的氧化物溶胶，然后，通过调整混合溶液中钛氧化物溶胶所占的比例配制出折射率为1.52的溶胶凝胶混合玻璃材料，将混合后溶液置于磁力搅拌器上搅拌，24小时后即可使用；为了使SiO₂/TiO₂混合溶胶凝胶材料具有光敏特性，在混合好的溶液中加入的光引发剂包括按重量比占3％的bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide和按重量比占1％的1-hydroxycyclohexyl phenylketone，搅拌均匀后静置30分钟经过滤蒸馏后可以得到具有一定粘度的光敏溶胶凝胶材料；

(3)光学镜头上仿腹色蜉复眼结构的制备，由于多数光学镜头都是曲形的，所以实施起来比较困难，第一步，使用(1)中获得的仿腹色蜉复眼结构母版复制PDMS软模板，并将PDMS软模板上无结构的一面黏附到凹形曲面基底上并旋转涂覆合成的光敏溶胶凝胶玻璃材料；第二步，将凸形光学镜头曲面置于凹形曲面基底的PDMS软模板之上，并将两者整体在紫外光照下进行曝光，由于在溶胶凝胶材料中添加了光引发剂，所以经过紫外光照射后溶胶凝胶会产生固联反应；第三步，将两者整体置于热板上100℃加热1小时，使溶胶凝胶材料完全固化；第四步，将整个装置从热板上取下冷却至室温，然后将凸形曲面基底与PDMS软模板分离，便在凸形光学镜头表面上制得了仿腹色蜉复眼结构表面。

本发明的有益效果：本发明提出利用在光学镜头表面制备具有防雾性能的仿生超疏水结构来实现光学镜头的防雾，这将极大地提高光学仪器中光学系统的光能透过率，保证光学仪器在极其潮湿的环境下也能正常工作。同时，本发明还给出了在光学镜头曲面上制备仿生超疏水结构的技术方案，该技术方案所需成本极低且操作简单可行。

附图说明

图1腹色蜉活体照片

图2腹色蜉复眼表面结构SEM图(微米尺寸的单级结构)

图3光学透镜曲面上仿生超疏水防雾表面的制备技术路线图

具体实施方式

具体实施方式：一种利用仿生超疏水结构防止光学镜头结雾的方法，由以下步骤完成：

步骤一、平面基底上仿腹色蜉复眼结构的制备。腹色蜉的小眼可看作由上下两部分组成的，上部为半球形，下部为圆台形。半球直径、圆台上表面直径、圆台底部直径和小眼总高度分别为16μm、16μm、20μm、14μm，小眼之间呈六方紧密排列；首先将AZ9260光刻胶在低速和高速下匀胶，低速和高速分别为420r/min和3000r/min，在热板上95℃加热30min烘干后便可得到厚度为14μm的光刻胶层，然后利用光刻技术通过掩模曝光的方式在平面基底上获得底部直径20μm、顶部直径16μm的圆台结构，再通过热回流工艺将圆台结构放到140℃的热板上加热15分钟，便可制作出半球状的顶部结构，由此获得较大面积的仿腹色蜉复眼结构表面。

步骤二、合成新型光敏溶胶凝胶混合玻璃材料。将甲基丙烯酸-3-(三甲氧基硅基)丙酯(3-trimethoxysilyl propyl methacrylate)与异丙醇和水按0.04:0.048:0.053摩尔比混合，使其水解形成硅的氧化物溶胶。为了使SiO₂/TiO₂混合溶胶-凝胶材料具有光敏特性，加入光引发剂。过程中通过调整混合溶液中钛氧化物溶胶所占的比例可配制出不同折射率的溶胶凝胶混合玻璃材料(折射率范围大约在1.46-2.95之间)，使之与所用曲面玻璃的折射率相同。

步骤三、光学镜头上仿腹色蜉复眼结构的制备。第一步，使用具有微纳结构的母版复制PDMS软模板，并将制成的PDMS软模板上无结构的一面黏附到凹形曲面玻璃基底上并旋转涂覆合成的光敏溶胶凝胶玻璃材料；第二步，将凸形曲面玻璃基底置于凹形曲面玻璃基底的PDMS软模板之上，并将两者整体在紫外光照下进行曝光。第三步，将两者整体置于热板上在100℃下加热1小时，使溶胶凝胶材料完全固化。第四步，将整个装置从热板上取下并冷却至室温，然后将凸形曲面玻璃基底与PDMS软模板分离，此时便在凸形曲面玻璃基底上制备出了耐久性的微纳结构。

本实施方式中步骤一所述的对AZ9260光刻胶匀胶的目的是获得厚度为14μm的光刻胶层(与仿生结构高度相同)，所用匀胶机高速转速为3000r/min，不同型号的匀胶机获得14μm的光刻胶层所需高速转速是允许有差别的。

本实施方式中步骤二所述的新型光敏溶胶凝胶混合玻璃材料所用的硅的氧化物溶胶各种材料的配置摩尔比可以采用但不仅仅局限于0.04:0.048:0.053。

本实施方式中步骤二所述的新型光敏溶胶凝胶混合玻璃材料具有被特定光照射后发生固联的性质；配制时加入的光引发剂包括但不仅仅局限于按重量比占3％的bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide和按重量比占1％的1-hydroxycyclohexylphenylketone。

本实施方式中步骤三所述的柔性模板的材料为聚二甲基硅烷，简称：PDMS，所述PDMS由单体分子和聚合剂混合而成；所述单体分子和聚合剂的体积比为10：1。

本实施方式中步骤三所述的紫外光曝光能量可根据实际情况调整。

本实施方式中步骤三所述的第三步，将两者整体置于热板上在100℃下加热1小时，其加热温度和时间可以根据实际情况进行调整。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，例如将仿腹色蜉复眼的超疏水结构改成仿蚊子、绿蝇等其他生物体的某种超疏水结构，这些改进也应视为本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种利用仿生超疏水结构防止光学镜头结雾的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)平面基底上仿腹色蜉复眼结构的制备，腹色蜉的小眼可看作由上下两部分组成的，上部为半球形，下部为圆台形，半球直径、圆台上表面直径、圆台底部直径和小眼总高度分别为16μm、16μm、20μm、14μm，小眼之间呈六方紧密排列；首先将AZ9260光刻胶在低速和高速下匀胶，低速和高速分别为420r/min和3000r/min，在热板上95℃加热30min烘干后便可得到厚度为14μm的光刻胶层，然后利用光刻技术通过掩模曝光的方式在平面基底上获得底部直径20μm、顶部直径16μm的圆台结构，再通过热回流工艺将圆台结构放到140℃的热板上加热15分钟，便可制作出半球状的顶部结构，由此获得较大面积的仿腹色蜉复眼结构表面；

(2)合成新型光敏溶胶凝胶混合玻璃材料，合成步骤如下：将甲基丙烯酸-3-(三甲氧基硅基)丙酯(3-trimethoxysilyl propyl methacrylate)与异丙醇和水按特定比例混合，使其水解形成硅的氧化物溶胶，将金属有机物四异丙基钛与乙酰丙酮按照配方比例配制成钛的氧化物溶胶，然后，通过调整混合溶液中钛氧化物溶胶所占的比例配制出折射率为1.52的溶胶凝胶混合玻璃材料，将混合后溶液置于磁力搅拌器上搅拌，24小时后即可使用；为了使SiO₂/TiO₂混合溶胶凝胶材料具有光敏特性，在混合好的溶液中加入的光引发剂包括按重量比占3％的bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide和按重量比占1％的1-hydroxycyclohexyl phenylketone，搅拌均匀后静置30分钟经过滤蒸馏后可以得到具有一定粘度的光敏溶胶凝胶材料；

(3)光学镜头上仿腹色蜉复眼结构的制备，由于多数光学镜头都是曲形的，所以实施起来比较困难，第一步，使用(1)中获得的仿腹色蜉复眼结构母版复制PDMS软模板，并将PDMS软模板上无结构的一面黏附到凹形曲面基底上并旋转涂覆合成的光敏溶胶凝胶玻璃材料；第二步，将凸形光学镜头曲面置于凹形曲面基底的PDMS软模板之上，并将两者整体在紫外光照下进行曝光，由于在溶胶凝胶材料中添加了光引发剂，所以经过紫外光照射后溶胶凝胶会产生固联反应；第三步，将两者整体置于热板上100℃加热1小时，使溶胶凝胶材料完全固化；第四步，将整个装置从热板上取下冷却至室温，然后将凸形曲面基底与PDMS软模板分离，便在凸形光学镜头表面上制得了仿腹色蜉复眼结构表面。