CN107058980A - 一种防尘表面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种防尘表面的制备方法，属于等离子化学气相沉积技术领域，该方法中，将基材置于反应腔体内，连续抽真空，通入惰性气体或氮气；通入单体蒸汽进行化学气相沉积，制备致密涂层；致密涂层沉积完成后，调节等离子体放电的功率进行化学气相沉积，制备粗糙涂层；在基材表面上制备内层为致密涂层、外层为粗糙涂层的防尘表面；通入的单体蒸汽成分为：至少一种单官能度不饱和氟碳树脂和至少一种多官能度不饱和烃类衍生物的混合物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为10％‑80％。本发明通过等离子体化学气相沉积技术在基体表面沉积一层微纳米结构的低表面能氟碳树脂，来降低材料表面能以及接触面积，达到抑制尘埃吸附堆积的作用。

Description

一种防尘表面的制备方法
技术领域
本发明属于等离子化学气相沉积技术领域，具体涉及到一种防尘表面的制备方法。
背景技术
传统固体表面由于表面能较高，故容易吸附尘埃，自发趋向降低其表面的表面能。尘埃不仅影响材料表面的外观而且会影响部件的性能及使用寿命，例如探月车表面吸附月尘后影响太阳能板的采光，影响探月车运动部件的性能。太阳能电池板、采光玻璃、户外显示屏、LED灯箱等极易吸附尘埃，严重影响了采光、透光等性能。
现有的防尘技术主要为一是用低表面能氟树脂来充当涂层的成膜物质或在涂料中加入低表面能的含氟添加剂的氟碳涂料；而另一种就是根据荷叶自清洁特性，在涂层构造出具有微纳米结构的表面，再通过低表面能的化学物质对其表面进行化学修饰，得到的疏水或超疏水的涂层。现有技术涂层制备困难、对基体的有选择性、与基体的结合力差、成本高难以大规模应用。
等离子体化学气相沉积(plasma chemical vapor deposition,PCVD)是一种用等离子体激活反应气体，促进在基体表面或近表面空间进行化学反应，生成固态膜的技术。等离子体化学气相沉积法涂层具有
(1)是干式工艺，生成薄膜均匀无针孔。
(2)等离子体聚合膜的耐溶剂性、耐化学腐蚀性、耐热性、耐磨损性能等化学、物理性质稳定。
(3)等离子体聚合膜与基体黏接性良好。
(4)在凹凸极不规则的基材表面也可制成均一薄膜。
(5)基材和单体的选择性宽。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供一种防尘表面的制备方法，通过等离子体化学气相沉积技术在基体表面沉积一层微纳米结构的低表面能氟碳树脂，来降低材料表面能以及接触面积，达到抑制尘埃吸附堆积的作用。
本发明所采用的技术方案如下：
一种防尘表面的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将基材置于等离子体室的反应腔体内，对反应腔体连续抽真空，将反应腔体内的真空度抽到10-200毫托，通入惰性气体或氮气；
(2)通入单体蒸汽到真空度为30-300毫托，开启等离子体放电，等离子体放电的功率为2～150W，放电时间为600～7200s，进行化学气相沉积，制备致密涂层；致密涂层沉积完成后，调节等离子体放电的功率为160～500W，放电时间为60～1000s，进行化学气相沉积，制备粗糙涂层；在基材表面上制备内层为致密涂层、外层为粗糙涂层的防尘表面；
所述步骤(2)中通入的单体蒸汽成分为：
至少一种单官能度不饱和氟碳树脂和至少一种多官能度不饱和烃类衍生物的混合物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为10％-80％；
(3)停止等离子体放电，停止通入单体蒸汽，持续抽真空，保持反应腔体真空度为10-200毫托1-5min后通入大气至一个大气压，然后取出基材即可。
所述步骤(1)中基材为固体材料，所述固体材料包括太阳能电池板、LED 显示屏、玻璃制品、家用电器、纺织品或3C产品。
所述步骤(1)中等离子体室的容积为50-1000L，等离子体室的温度控制在30～60℃；通入惰性气体或氮气的流量为5～300sccm，所述惰性气体为氩气或氦气中的一种，或氩气和氦气的混合物。惰性气体或氮气的目的在于获得稳定的等离子体环境。
所述步骤(2)中：
通入单体蒸汽为将单体通过加料泵进行雾化、挥发，由低压10-200毫托引入反应腔体，所述通入单体蒸汽的流量为10-1000μL/min；
所述单体为：
至少一种单官能度不饱和氟碳树脂和至少一种多官能度不饱和烃类衍生物的混合物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为10％-80％；
所述单官能度不饱和氟碳树脂包括：
3-(全氟-5-甲基己基)-2-羟基丙基甲基丙烯酸酯、2-(全氟癸基)乙基甲基丙烯酸酯、2-(全氟己基)乙基甲基丙烯酸酯、2-(全氟十二烷基)乙基丙烯酸酯、2-全氟辛基丙烯酸乙酯、、1H,1H,2H,2H-全氟辛醇丙烯酸酯、2-(全氟丁基)乙基丙烯酸酯、(2H-全氟丙基)-2-丙烯酸酯、(全氟环己基)甲基丙烯酸酯、3,3,3-三氟-1-丙炔、1-乙炔基-3,5-二氟苯或4-乙炔基三氟甲苯；
所述多官能度不饱和烃类衍生物包括：
乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、二乙烯苯、聚乙二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、二丙烯酸乙二醇酯、二乙二醇二乙烯基醚或二丙烯酸新戊二醇酯。该多官能度不饱和烃类衍生物具有多个交联点，加入后可以增强涂层网络的防护性能。
所述步骤(2)中通入第一单体蒸汽之前进行辉光放电对基材进行轰击预处理,辉光放电的功率为2～500W，放电时间为300～600s。该轰击预处理可以清理基材表面的杂质，同时可以活化基材的表面，利于涂层的沉积，提高涂层与基材的结合力。
所述步骤(2)中所述等离子体放电方式为射频放电、微波放电、中频放电或电火花放电。射频等离子体是利用高频高压使电极周围的空气电离而产生的等离子体。微波法是利用微波的能量激发等离子体，具有能量利用效率高的优点，同时由于无电极放电，等离子体纯净，是目前高质量、高速率、大面积制备的优异方法。
所述等离子体射频放电过程中控制等离子体射频的能量输出方式为脉冲或连续输出，等离子体射频的能量输出方式为脉冲输出时，脉宽为2μs-1ms、重复频率为20Hz-10kHz。连续式等离子体射频放电沉积的过程等离子体对沉积膜有一定的刻蚀，脉冲射频放电相对连续式给予一定的沉积时间有利于涂层的做厚、致密。
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点：
1、氟碳树脂以牢固的C-F键为骨架，同其他树脂相比，其耐热性、耐化学品性、耐寒性、低温柔韧性、耐候性和电性能等均较好，此外还具有不黏附性、不湿润性。故氟碳树脂涂层特别适合用于材料表面的防护。一般等离子体聚合选用单官能度单体，得到涂层结构疏松。而且交联结构是由于单体在等离子体辉光放电时随机被打断形成的众多活性点通过交互连接的方式而形成交联结构。本发明通过引入带有多官能团交联结构的其他单体组分而引入额外的交联点以形成交联结构，使得涂层形成致密的网状结构，不仅可以赋予材料良好的防尘性能而且可以赋予材料优异的物理、化学耐久性、防水、防油功能。。
2、等离子体辉光放电时，单体组分中能量较高的活性基团被打断形成活性点，被引入的额外活性点在等离子环境下相互交联，形成低的固体表面能的氟碳聚合物，在低表面能涂层形成的过程中，通过工艺参数调整，改变沉积速率一步构建有一定粗糙度的微米与纳米相结合的多级结构。
日常生活中的电子设备、家用电器等极易受灰尘的堆积，本发明的制备方法制备的涂层可以降低基材的低表面能和接触面积，防止积尘。主要应用于以下产品：
1、玻璃制品：如吊灯、玻璃幕墙等安装在高空的玻璃制品。这类玻璃制品由于其安装位置高，人工不易清洁，常常积灰严重。再譬如单反相机镜头、光学仪器镜面，这类玻璃制品对清洁工具有较高要求，擦拭时必须小心翼翼。使用该方法制备的表面后，能够减少人力物力，同时，避免对仪器设备产生由于清洗带来的损害。
2、家用电器：家用电器如冰箱、空调、电视机等。这类电器一般安置于角落，但是由于室内家具的布局，其背面靠近墙壁，积灰严重，时间久了容易产生细菌，使用该方法制备的表面后，能够不用搬移或者拆卸电器设备，保持家用电器外表面清洁。
3、纺织品：如窗帘、墙纸，高档羽绒服表面布料等。窗帘拆卸麻烦，墙纸用水擦拭后容易发霉，干抹布又不易擦拭干净，羽绒服清洗费事。纺织品镀上该方法制备的表面后，可以不用清洗，免去了拆卸环节，避免了由于清洗引起的发霉等影响。
4、3C产品：如移动电话、笔记本、PSP等。这类产品所处环境多变，内部元器件也容易积灰，影响其使用性能，该类设备在外壳装配边沿，以及听筒模块容易积灰，使用该方法制备的防尘表面后，能够保持产品外观干净，内部元 器件不易积灰。
5、其他可以使用防尘表面的物品：如普通太阳能电池板、探月车表面太阳能板、部分传感器、高档工艺品等。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1
一种防尘表面的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将基材置于等离子体室的反应腔体内，对反应腔体连续抽真空，将反应腔体内的真空度抽到10毫托，通入惰性气体；
步骤(1)中基材为固体材料，所述固体材料为太阳能电池板；
步骤(1)中等离子体室的容积为1000L，等离子体室的温度控制在30℃；通入惰性气体的流量为5sccm，所述惰性气体为氩气。
(2)通入单体蒸汽到真空度为30毫托，开启等离子体放电，等离子体放电的功率为2W，放电时间为7200s，进行化学气相沉积，制备致密涂层；致密涂层沉积完成后，调节等离子体放电的功率为160W，放电时间为1000s，进行化学气相沉积，制备粗糙涂层；在基材表面上制备内层为致密涂层、外层为粗糙涂层的防尘表面；
所述步骤(2)中通入的单体蒸汽成分为：
一种单官能度不饱和氟碳树脂和两种多官能度不饱和烃类衍生物的混合物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为10％；
所述单官能度不饱和氟碳树脂为：2-(全氟己基)乙基甲基丙烯酸酯；
所述多官能度不饱和烃类衍生物为：二乙二醇二乙烯基醚和二丙烯酸新戊 二醇酯。
步骤(2)中：
通入单体蒸汽为将单体通过加料泵进行雾化、挥发，由低压10毫托引入反应腔体，所述通入单体蒸汽的流量为10μL/min；
步骤(2)中通入第一单体蒸汽之前进行辉光放电对基材进行轰击预处理。
步骤(2)中所述等离子体放电方式为射频放电，等离子体射频放电过程中控制等离子体射频的能量输出方式为脉冲输出，脉宽为2μs、重复频率为20Hz。
(3)停止等离子体放电，停止通入单体蒸汽，持续抽真空，保持反应腔体真空度为10毫托1min后通入大气至一个大气压，然后取出基材即可。
实施例2
本实施例与实施例1基本的工艺步骤相同，不同的工艺参数如下：
1、步骤(1)中：
将反应腔体内的真空度抽到40毫托，通入惰性气体；固体材料为LED显示屏；等离子体室的容积为870L，等离子体室的温度控制在35℃；通入惰性气体的流量为15sccm，所述惰性气体为氦气。
2、步骤(2)中：
通入单体蒸汽到真空度为80毫托，开启等离子体放电，等离子体放电的功率为25W，放电时间为5800s，进行化学气相沉积，制备致密涂层；致密涂层沉积完成后，调节等离子体放电的功率为220W，放电时间为780s；
所述步骤(2)中通入的单体蒸汽成分为：
三种单官能度不饱和氟碳树脂和一种多官能度不饱和烃类衍生物的混合物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为25％；
所述单官能度不饱和氟碳树脂为：3-(全氟-5-甲基己基)-2-羟基丙基甲基丙烯酸酯、、2-全氟辛基丙烯酸乙酯和4-乙炔基三氟甲苯；
所述多官能度不饱和烃类衍生物为：聚乙二醇二丙烯酸酯；
步骤(2)中：
通入单体蒸汽为将单体通过加料泵进行雾化、挥发，由低压40毫托引入反应腔体，所述通入单体蒸汽的流量为50μL/min；
步骤(2)中所述等离子体放电方式为射频放电，等离子体射频放电过程中控制等离子体射频的能量输出方式为脉冲输出，脉宽为1ms、重复频率为10kHz。
3、步骤(3)中：保持反应腔体真空度为40毫托2min后通入大气至一个大气压。
实施例3
本实施例与实施例1基本的工艺步骤相同，不同的工艺参数如下：
1、步骤(1)中：
将反应腔体内的真空度抽到90毫托，通入惰性气体；固体材料为玻璃制品；等离子体室的容积为680L，等离子体室的温度控制在40℃；通入惰性气体的流量为50sccm，所述惰性气体为氦气和氩气的混合物。
2、步骤(2)中：
通入单体蒸汽到真空度为160毫托，开启等离子体放电，等离子体放电的功率为60W，放电时间为4500s，进行化学气相沉积，制备致密涂层；致密涂层沉积完成后，调节等离子体放电的功率为300W，放电时间为650s；
所述步骤(2)中通入的单体蒸汽成分为：
四种单官能度不饱和氟碳树脂和二种多官能度不饱和烃类衍生物的混合物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为45％；
所述单官能度不饱和氟碳树脂为：2-(全氟己基)乙基甲基丙烯酸酯、2-全氟 辛基丙烯酸乙酯、3,3,3-三氟-1-丙炔和1-乙炔基-3,5-二氟苯；
所述多官能度不饱和烃类衍生物为：1,6-己二醇二丙烯酸酯和二丙烯酸新戊二醇酯；
步骤(2)中：
通入单体蒸汽为将单体通过加料泵进行雾化、挥发，由低压90毫托引入反应腔体，所述通入单体蒸汽的流量为160μL/min；
步骤(2)中所述等离子体放电方式为射频放电，等离子体射频放电过程中控制等离子体射频的能量输出方式为连续输出。
3、步骤(3)中：保持反应腔体真空度为80毫托3min后通入大气至一个大气压。
实施例4
本实施例与实施例1基本的工艺步骤相同，不同的工艺参数如下：
1、步骤(1)中：
将反应腔体内的真空度抽到150毫托，通入氮气；固体材料为家用电器；等离子体室的容积为560L，等离子体室的温度控制在45℃；通入氮气的流量为150sccm。
2、步骤(2)中：
通入单体蒸汽到真空度为200毫托，开启等离子体放电，等离子体放电的功率为120W，放电时间为2400s，进行化学气相沉积，制备致密涂层；致密涂层沉积完成后，调节等离子体放电的功率为400W，放电时间为320s；
所述步骤(2)中通入的单体蒸汽成分为：
五种单官能度不饱和氟碳树脂和三种多官能度不饱和烃类衍生物的混合物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为65％；
所述单官能度不饱和氟碳树脂为：2-(全氟己基)乙基甲基丙烯酸酯、2-(全氟十二烷基)乙基丙烯酸酯、1H,1H,2H,2H-全氟辛醇丙烯酸酯、3,3,3-三氟-1-丙炔和4-乙炔基三氟甲苯；
所述多官能度不饱和烃类衍生物为：乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、二乙烯苯和二丙烯酸乙二醇酯
步骤(2)中：
通入单体蒸汽为将单体通过加料泵进行雾化、挥发，由低压150毫托引入反应腔体，所述通入单体蒸汽的流量为450μL/min；
步骤(2)中所述等离子体放电方式为电火花放电；
3、步骤(3)中：保持反应腔体真空度为110毫托4min后通入大气至一个大气压。
实施例5
本实施例与实施例1基本的工艺步骤相同，不同的工艺参数如下：
1、步骤(1)中：
将反应腔体内的真空度抽到180毫托，通入惰性气体；固体材料为纺织品；等离子体室的容积为240L，等离子体室的温度控制在55℃；通入惰性气体的流量为220sccm，所述惰性气体为氩气。
2、步骤(2)中：
通入单体蒸汽到真空度为250毫托，开启等离子体放电，等离子体放电的功率为130W，放电时间为1500s，进行化学气相沉积，制备致密涂层；致密涂层沉积完成后，调节等离子体放电的功率为450W，放电时间为180s；
所述步骤(2)中通入的单体蒸汽成分为：
一种单官能度不饱和氟碳树脂和一种多官能度不饱和烃类衍生物的混合 物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为80％；
所述一种单官能度不饱和氟碳树脂物为：(2H-全氟丙基)-2-丙烯酸酯；
所述一种多官能度不饱和烃类衍生物为：二缩三丙二醇二丙烯酸酯；
步骤(2)中：
通入单体蒸汽为将单体通过加料泵进行雾化、挥发，由低压180毫托引入反应腔体，所述通入单体蒸汽的流量为800μL/min；
步骤(2)中所述等离子体放电方式为中频放电；
3、步骤(3)中：保持反应腔体真空度为140毫托4min后通入大气至一个大气压。
实施例6
本实施例与实施例1基本的工艺步骤相同，不同的工艺参数如下：
1、步骤(1)中：
将反应腔体内的真空度抽到200毫托，通入惰性气体；固体材料为3C产品；等离子体室的容积为50L，等离子体室的温度控制在60℃；通入惰性气体的流量为300sccm，所述惰性气体为氦气。
2、步骤(2)中：
通入单体蒸汽到真空度为300毫托，开启等离子体放电，等离子体放电的功率为150W，放电时间为600s，进行化学气相沉积，制备致密涂层；致密涂层沉积完成后，调节等离子体放电的功率为500W，放电时间为60s；
所述步骤(2)中通入的单体蒸汽成分为：
四种单官能度不饱和氟碳树脂和一种多官能度不饱和烃类衍生物的混合物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为58％；
所述四种单官能度不饱和氟碳树脂为：3-(全氟-5-甲基己基)-2-羟基丙基甲基丙烯酸酯、2-(全氟十二烷基)乙基丙烯酸酯、1H,1H,2H,2H-全氟辛醇丙烯酸酯、3,3,3-三氟-1-丙炔、所述一种多官能度不饱和烃类衍生物为：1,6-己二醇二丙烯酸酯；
步骤(2)中：
通入单体蒸汽为将单体通过加料泵进行雾化、挥发，由低压200毫托引入反应腔体，所述通入单体蒸汽的流量为1000μL/min；
步骤(2)中所述等离子体放电方式为微波放电；
3、步骤(3)中：保持反应腔体真空度为200毫托5min后通入大气至一个大气压。
上述实施例1到实施例6得到的防尘表面进行测试，得到优异的防水、防油和防尘性能，测试结果如下：
水接触角 水粘附性 油接触角 防尘性能
实施例1 115° 滚动角大于90°，粘水 85° 少量灰尘粘附
实施例2 128° 滚动角40°，不粘水 97° 基本无灰尘粘附
实施例3 140° 滚动角15°，不粘水 113° 基本无灰尘粘附
实施例4 126° 滚动角23°，不沾水 108° 基本无灰尘粘附
实施例5 133° 滚动角18°，不沾水 110° 基本无灰尘粘附
实施例6 128° 滚动角20°，不沾水 105° 基本无灰尘粘附

Claims (9)

1.一种防尘表面的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将基材置于等离子体室的反应腔体内，对反应腔体连续抽真空，将反应腔体内的真空度抽到10-200毫托，通入惰性气体或氮气；
(2)通入单体蒸汽到真空度为30-300毫托，开启等离子体放电，等离子体放电的功率为2～150W，放电时间为600～7200s，进行化学气相沉积，制备致密涂层；致密涂层沉积完成后，调节等离子体放电的功率为160～500W，放电时间为60～1000s，进行化学气相沉积，制备粗糙涂层；在基材表面上制备内层为致密涂层、外层为粗糙涂层的防尘表面；
所述步骤(2)中通入的单体蒸汽成分为：
至少一种单官能度不饱和氟碳树脂和至少一种多官能度不饱和烃类衍生物的混合物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为10％-80％；
(3)停止等离子体放电，停止通入单体蒸汽，持续抽真空，保持反应腔体真空度为10-200毫托1-5min后通入大气至一个大气压，然后取出基材即可。
2.根据权利要求1所述的一种防尘表面的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中基材为固体材料，所述固体材料包括太阳能电池板、LED显示屏、玻璃制品、家用电器、纺织品或3C产品。
3.根据权利要求1所述的一种防尘表面的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中等离子体室的容积为50-1000L，等离子体室的温度控制在30～60℃；通入惰性气体或氮气的流量为5～300sccm，所述惰性气体为氩气或氦气中的一种，或氩气和氦气的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种防尘表面的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中：
通入单体蒸汽为将单体通过加料泵进行雾化、挥发，由低压10-200毫托引入反应腔体，所述通入单体蒸汽的流量为10-1000μL/min。
5.根据权利要求4所述的一种防尘表面的制备方法，其特征在于：所述单体为：
至少一种单官能度不饱和氟碳树脂和至少一种多官能度不饱和烃类衍生物的混合物，所述单体蒸汽中多官能度不饱和烃类衍生物所占的质量分数为10％-80％。
6.根据权利要求1或5所述的一种防尘表面的制备方法，其特征在于：
所述单官能度不饱和氟碳树脂包括：
3-(全氟-5-甲基己基)-2-羟基丙基甲基丙烯酸酯、2-(全氟癸基)乙基甲基丙烯酸酯、2-(全氟己基)乙基甲基丙烯酸酯、2-(全氟十二烷基)乙基丙烯酸酯、2-全氟辛基丙烯酸乙酯、、1H,1H,2H,2H-全氟辛醇丙烯酸酯、2-(全氟丁基)乙基丙烯酸酯、(2H-全氟丙基)-2-丙烯酸酯、(全氟环己基)甲基丙烯酸酯、3,3,3-三氟-1-丙炔、1-乙炔基-3,5-二氟苯或4-乙炔基三氟甲苯；
所述多官能度不饱和烃类衍生物包括：
乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、二乙烯苯、聚乙二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、二丙烯酸乙二醇酯、二乙二醇二乙烯基醚或二丙烯酸新戊二醇酯。
7.根据权利要求1所述的一种防尘表面的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中通入第一单体蒸汽之前进行辉光放电对基材进行轰击预处理。
8.根据权利要求1所述的一种防尘表面的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述等离子体放电方式为射频放电、微波放电、中频放电或电火花放电。
9.根据权利要求8所述的一种防尘表面的制备方法，其特征在于：所述等离子体射频放电过程中控制等离子体射频的能量输出方式为脉冲或连续输出，等离子体射频的能量输出方式为脉冲输出时，脉宽为2μs-1ms、重复频率为20Hz-10kHz。
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