CN108251846A - 一种无掩膜制备图案化润湿性表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无掩膜制备图案化润湿性表面的方法，属于材料表面处理技术领域。本发明通过微细冷等离子体射流搭配运动平台不需借助掩膜，即可实现对固体材料表面的微米级图案化润湿性改性。微细冷等离子体射流可对材料进行快速亲液性改性，不会破坏被处理区域的表面微观结构，且可以长期保存，若重新对材料进行低表面能处理或高温还原，还可以重新恢复原有的润湿性。所使用的微细冷等离子体射流直径较小，射流集中，不易扩散，可实现定域、微区改性。故此方法是一种无掩膜、操作简单、能耗小、不会破坏材料表面结构、可循环利用的绿色环保的微区定域润湿性改性方法。

Description

一种无掩膜制备图案化润湿性表面的方法

技术领域

本发明涉及一种无掩膜制备图案化润湿性表面的方法，属于材料表面处理技术领域。

背景技术

润湿性是指种液体在一种固体表面铺展的能力，是材料表面的重要性质之一。而图案化润湿性表面则是利用对材料表面不同区域润湿性的精确控制得到的表面，即在疏液/超疏液表面上，制备出所需的亲液/超亲液区域，未处理部分保持疏液/超疏液性能，使表面呈现出亲/疏性相间的图案。图案化润湿性表面可用于液体收集、活体鉴定和流体运输，在微流体系统、生物科学和制药行业等方面具有巨大应用价值。

目前，这种润湿性差异图案化的制备主要通过光刻、紫外线辐射、化学刻蚀和等离子体处理等方法实现。例如专利CN 103966654A利用光刻的方法在已经制备好的超疏水铝合金基体上制备一条曲线路径，从而实现液滴在路径上的定向运输。虽然光刻技术可精确的控制所需要的亲水图案的尺寸、但是工艺复杂、效率较低，且加工过程中所使用的试剂会对人的身体产生影响，同时也会对原有的超疏水表面性质造成影响。Lee等(appliedmaterials&interfaces,2011,3(12):4722-4729.)首先在涂覆十二烷基三氯硅烷的超疏水表面贴上一层掩膜并露出一条轨迹，之后利用紫外光解作用，对轨迹进行紫外光照射，最终获得亲水轨迹。这种方法工艺较为复杂并且可控性较差。专利CN 105951162 A采用化学刻蚀的方法，在制备出的超亲水表面使用掩膜在其上加工出镂空图案，之后通过水浴加热的方法浸泡覆盖有掩膜的金属基底，最后揭去覆盖的掩膜获得亲水/疏水相间的表面。这种方法虽然可以制备出长期稳定性和耐高温性质的润湿性图案化表面，但是这种方法过程比较复杂且无法多次使用，且可控性较差。另外一种应用较多的的制备图案化润湿性表面的方法是通过等离子体射流处理超疏水铝片使出现局部亲水图案表面。陈发泽等(Micro&NanoLetter,2015,10(2),105-108.)首先在铝片上刻蚀出超亲水表面，然后用氟硅烷进行低表面能处理获得超疏水表面，最后在表面上覆盖掩膜后用大气压氮气冷等离子体射流处理，将未被掩膜覆盖的部分处理成亲水性质的图案化表面。这种方法采用的等离子体射流处理成本较低操作也很简单，但是这种方法的工艺过程比较繁琐，需要在超疏水表面进行掩膜处理，且时效性较差，无法满足长期使用的要求。而对于非金属硅系材料，专利CN104404518A利用微细等离子体射流对SiC进行微细加工，可以在加工材料表面形成深度为4微米，直径小于0.8毫米的微坑，这项专利为无掩膜加工非金属材料提供了一个基础，但是这种加工方法需要在特定的反应腔中进行，对空气含量以及废气处理都有着很高的要求，而且这种方法虽然可对材料进行选择性刻蚀，但是刻蚀表面会有明显的结构性变化，故可重复性利用率较差。

以上研究方法中，使用光刻、紫外线照射方法制备图案化润湿性表面存在工艺复杂、可控性差、使用的试剂对人身体有影响等问题，使用化学刻蚀、裸电极等离子体改性制备图案化润湿性表面存在可控性差，工艺复杂，且去除掩膜的后处理问题较为复杂，因此需要一种新的制备方法解决上述问题。

发明内容

本发明解决的问题是克服现有技术制备极端图案化润湿性表面的复杂性、稳定性和可重复利用性欠缺等不足，利用微细冷等离子体射流，在不借助掩膜的情况下，与可编程运动平台配合，在固体表面制备出粘附力可控的亲液图案，获得的亲液性图案化表面稳定性好，具有较强的时效性，且不改变固体表面的微观结构,可重复使用，利用率较高。

本发明的技术方案：

一种无掩膜制备图案化润湿性表面的方法，步骤如下：

(1)材料的预处理：将固体基体材料进行抛磨、清洗和除油，若固体基体待处理表面为亲液或超亲液表面，则先将其处理为疏液或超疏液表面；

(2)将处理好的固体基体布置于可调控运动平台上，或将微细等离子体射流发生装置放置于可调控运动平台上；

(3)将微细等离子体射流发生装置安装于固体基体待处理表面的正上方，并与待处理表面垂直；打开工作气源和等离子体放电电源，产生微细冷等离子体射流，使微细等离子体射流发生装置与待处理表面保持距离且保证射流末端接触到待处理表面；

(4)控制可调控运动平台使微细冷等离子体射流和固体基体之间产生既定的相对运动；

(5)关闭等离子体放电电源与工作气源，取下处理后的固体基体，被微细冷等离子体射流处理后的区域呈现亲液性，未处理区域仍呈现疏液性。

所述的固体基体材料为金属材料或非金属材料；所述的固体基体表面为超疏液表面、疏液表面、亲液表面或超亲液表面。

所述的微细等离子体射流发生装置的放电形式是裸电极放电、介质阻挡放电或空心阴极放电；微细等离子体射流发生装置的工作气体是氮气、氩气、氦气、水蒸气、氧气、双氧水、经过滤和干燥的空气中的一种或两种以上混合；微细等离子体射流发生装置的放电电源是直流高压电源、低频高压电源、射频高压电源、微波高压电源或脉冲高压电源；微细等离子体射流是低气压下产生的或大气常压下产生的。

若所述的固体基体为导电材料，则可调控运动平台和固体基体之间必须经过绝缘处理。

通过改变微细等离子体射流发生装置的出口直径，改变亲液图案轮廓线条的粗细；通过等离子体放电电源控制等离子体断续产生，实现固体基体表面非连续图案化润湿性的制备。

制备出的图案化润湿性固体表面，并未改变固体表面的微观结构，经长时间放置、加热处理或低表面能修饰后可恢复为制备前的润湿性状态。

本发明的有益之处：

(1)利用此种方法工艺简单便捷，可在短时间内制备出图案化润湿性表面，成本低。

(2)利用这种使用微细冷等离子体射流可以使等离子体射流更集中，搭配运动平台可按照既定程序规划路径，可以更精准的控制处理区域，故可以无需掩膜制备图案化润湿性表面，可控性与精度都比较高。

(3)利用此种方法可制备出具有较长稳定性和较耐高温性质的润湿性图案表面。

(4)利用此种方法可不破坏原有的表面微观结构，长时间放置、加热处理或低表面能修饰后可恢复为制备前的润湿性状态。

(5)利用此种方法，可以通过改变介质管的尺寸产生不同直径的微细冷等离子体射流，并可以通过改变等离子体发生装置出口直径来改变改性区域的大小。

(6)利用这种方法，可实现断续改性，当改性图案出现断点后则可通过关闭电源移动到断点处，再打开电源实现断续改性。

附图说明

图1是大气压微细冷等离子体射流对金属材料改性的装置示意图。

图中：1工作气源；2减压阀；3气体流量控制器；4等离子体放电电源；5微细等离子体射流发生装置；6微细冷等离子体射流；7待处理固体基体；8运动平台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明涉及一种无掩膜制备图案化润湿性表面的方法，改性后的区域为亲液区域，即液滴会铺展、吸附于改性后的亲液区域，与未改性的、抗拒液体粘附的的疏液区域有着明显的润湿性差异，故形成了图案化润湿性的表面。

本发明是一种可控的微细冷等离子体射流对固体表面图案化改性的方法，使用这种方法的设备为微细冷等离子体射流发生装置及运动控制平台。

(1)进行润湿性差异图案制备之前，如果被处理表面是亲液或超亲液表面，则可将其先通过低表面能处理，将其改性成超疏液表面；如果被处理表面是疏液或超疏液表面，则可直接将固体基体材料进行抛磨、清洗和除油。

(2)将预处理后的材料或微细等离子体射流发生装置或两者共同固定在运动平台8上，且将微细冷等离子体射流发生装置安置待处理表面正上方，与待处理表面垂直布置。

(3)按照附图1将工作气源1、微细等离子体发生装置5、等离子体放电电源4连接起来，并产生微细等离子体射流。

(4)驱动运动平台8，使其按照指定路径进行运动，如果想实现表面非连续图案化润湿性制备，则可通过等离子体放电电源控制等离子体射流断续产生。

(5)停止运动平台8，关闭等离子体放电电源4、工作气源1的开关，取下被处理固体材料，则可得到亲/疏相间的图案化润湿性表面。

(6)如需要对材料进行润湿性恢复，可通过加热处理或低表面能修饰恢复到制备前的润湿性状态。

实施例1

采用大气压冷等离子体射流对超疏水铝片进行图案化润湿性表面制备，可以显著改善超疏水铝片表面的润湿性，从而实现在超疏水表面实现图案化润湿性的表面。

首先将铝片分别用800#和1500#的砂纸打磨去除表面氧化层，再将打磨后的铝合金片用无水乙醇和去离子水超声震荡后清洗，吹干后获得的光整的铝片；利用电化学刻蚀的方法将铝片刻蚀成超亲水表面；将得到的铝片放入硬脂酸溶液中浸泡，浸泡40分钟，放入烤箱中烘干得到超疏水铝片；将做好的超疏水铝片放在运动平台8上，在本实例中采用的可控平台为三维数控雕刻机；本实例采用的冷等离子体射流发生装置采用介质阻挡放电的方式，此种放电方式产生的冷等离子体射流活性粒子浓度较高，改性效率较高。本实例采用的微细冷等离子体射流发生装置采用介质阻挡方式放电，放电装置由两个介质管组成，进气介质管的尺寸为外径8mm、外径6mm的石英玻璃管，进气石英管主要有两个作用，分别是尾部与气体转接头连接，前端与放电石英管连接，放电石英管的尺寸小于500μm，在本实施例中选用150μm外径的石英管，进气石英管与放电石英管之间通过UV胶粘结并密封，并将铜电极捆绑在放电石英管的外部，进气石英管、放电石英管和铜电极共同构成微细冷等离子体射流发生装置。等离子体放电电源4采用中频正弦波交流电源，输出频率50-120kHz，输出电压0-10kV，最大频率150W；等离子体放电电源4的高压输出端与铜胶带连接，低压输出端接地起保护作用。工作气源1中的气体为纯度高达99.9％的高纯氦气。连接好设备后，调控微细冷等离子体射流发生装置和被处理的材料之间距离为10mm，且微细冷等离子体射流6垂直作用与待处理材料表面。打开工作气源1调整减压阀中的气体压力至0.5MPa，调节气体流量控制器，使氦气的流量达到为100ml/min；打开高压电源5，调整高压电源输出电压至5kV，调整输出频率为60kHz，使微细冷等离子体射流可以接触到超疏水铝片，之后将设计好的图案形状输入进控制器中，打开雕刻机启动开关，使平台带动材料按照既定轨迹进行运动，当程序运行完毕，关闭雕刻机电源，关闭等离子体放电电源，关闭工作气源的阀门，并排空管路中的氦气。最后取下之前固定好的超疏水铝片，在图案化润湿性表面滴上有颜色的水滴就可以看到润湿性存在明显区别的润湿性图案化表面。

之后将处理好的超疏水铝片浸泡于硬脂酸溶液中3分钟，取出烘干后，向表面滴上水滴，发现可以恢复到未处理之前的润湿性状态。

Claims (10)

1.一种无掩膜制备图案化润湿性表面的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)材料的预处理：将固体基体材料进行抛磨、清洗和除油，若固体基体待处理表面为亲液或超亲液表面，则先将其处理为疏液或超疏液表面；

(2)将处理好的固体基体布置于可调控运动平台上，或将微细等离子体射流发生装置放置于可调控运动平台上；

(3)将微细等离子体射流发生装置安装于固体基体待处理表面的正上方，并与待处理表面垂直；打开工作气源和等离子体放电电源，产生微细冷等离子体射流，使微细等离子体射流发生装置与待处理表面保持距离且保证射流末端接触到待处理表面；

(4)控制可调控运动平台使微细冷等离子体射流和固体基体之间产生既定的相对运动；

(5)关闭等离子体放电电源与工作气源，取下处理后的固体基体，被微细冷等离子体射流处理后的区域呈现亲液性，未处理区域仍呈现疏液性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的固体基体材料为金属材料或非金属材料；所述的固体基体表面为超疏液表面、疏液表面、亲液表面或超亲液表面。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的微细等离子体射流发生装置的放电形式是裸电极放电、介质阻挡放电或空心阴极放电；微细等离子体射流发生装置的工作气体是氮气、氩气、氦气、水蒸气、氧气、双氧水、经过滤和干燥的空气中的一种或两种以上混合；微细等离子体射流发生装置的放电电源是直流高压电源、低频高压电源、射频高压电源、微波高压电源或脉冲高压电源；微细等离子体射流是低气压下产生的或大气常压下产生的。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，若所述的固体基体为导电材料，则可调控运动平台和固体基体之间必须经过绝缘处理。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，若所述的固体基体为导电材料，则可调控运动平台和固体基体之间必须经过绝缘处理。

6.根据权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，通过改变微细等离子体射流发生装置的出口直径，改变亲液图案轮廓线条的粗细；通过等离子体放电电源控制等离子体断续产生，实现固体基体表面非连续图案化润湿性的制备。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过改变微细等离子体射流发生装置的出口直径，改变亲液图案轮廓线条的粗细；通过等离子体放电电源控制等离子体断续产生，实现固体基体表面非连续图案化润湿性的制备。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过改变微细等离子体射流发生装置的出口直径，改变亲液图案轮廓线条的粗细；通过等离子体放电电源控制等离子体断续产生，实现固体基体表面非连续图案化润湿性的制备。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的方法，其特征在于，制备出的图案化润湿性固体表面，并未改变固体表面的微观结构，经长时间放置、加热处理或低表面能修饰后可恢复为制备前的润湿性状态。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，制备出的图案化润湿性固体表面，并未改变固体表面的微观结构，经长时间放置、加热处理或低表面能修饰后可恢复为制备前的润湿性状态。