CN108545694A - 一种具有奇异微结构的超疏水薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有奇异微结构的超疏水薄膜及其制备方法，包括：在金属板上加工通孔微阵列图形结构；在下电极板上旋凃一层热固性聚合物聚二甲基硅氧烷；金属通孔模板放置在聚合物涂层上方并形成微接触；将上电极板与下电极板组成一对平面电极，上电极板和金属通孔模板之间留有预设的空气间隙，上电极板与下电极板通入高压电源并保持，使聚合物受到的电场力大于自身的表面张力，直至聚合物成型结束；将成型结束的聚合物固化，获得具有奇异微结构的超疏水薄膜。本发明的制备方法是基于电场诱导的制备方法，无需昂贵的低表面能材料，工艺简单，成本较低；制备过程中无需使用有毒的苯系物，有利于工程中的大规模应用。
Description
技术领域
本发明属于超疏水薄膜技术领域，特别涉及一种具有奇异微结构的超疏水薄膜及其制备方法。
背景技术
超疏水材料在自清洁、抗结冰、流体减阻力等方面有着广阔的应用前景，构筑超疏水表面主要考虑两个因素：一是材料具有低表面能，二是提高表面的粗糙度。现有的超疏水薄膜的制备方法主要有溶胶凝胶法、化学气相沉积法、刻蚀法，阳极氧化法等，这些方法普遍存在的缺点是工艺复杂，成本较高，需要昂贵的低表面能材料，且部分工艺的制备过程中还需使用有毒的苯系物，不能在工程中的大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有奇异微结构的超疏水薄膜及其制备方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的制备方法是基于电场诱导的制备方法，无需昂贵的低表面能材料，工艺简单，成本较低；制备过程中无需使用有毒的苯系物，有利于工程中的大规模应用。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有奇异微结构的超疏水薄膜，所述超疏水薄膜由聚二甲基硅氧烷制成，超疏水表面具有双层奇异微结构，接触角大于150°，滚动角小于5°。
一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，包括以下步骤：
A、在金属板上加工通孔微阵列图形结构，制得金属通孔模板；
B、取两个具有导电性的平板分别作为上电极板和下电极板，在下电极板上涂一层热固性聚合物聚二甲基硅氧烷；
C、将步骤A制得的金属通孔模板放置在聚合物涂层上方并形成微接触，聚合物在自然毛细力的作用下能够在金属模板通孔中预成型形成突起的微结构阵列；
D、将上电极板与下电极板组成一对平面电极，上电极板和金属通孔模板之间留有预设的空气间隙，上电极板与下电极板与高压电源连接，上电极板与下电极板通入高压电源并保持，使聚合物受到的电场力大于自身的表面张力，直至聚合物成型结束；
E、将步骤D成型结束的聚合物固化，获得具有奇异微结构的超疏水薄膜。
进一步的，步骤A中，金属板的厚度为30-50μm，采用曝光腐蚀工艺加工圆形通孔微阵列图形结构，圆形通孔直径为50-80μm，相邻通孔之间的间距为50-80μm。
进一步的，步骤A中，金属板为304不锈钢，获得金属通孔模板后，金属通孔模板通过全氟硅烷进行表面修饰，用于降低金属通孔模板的表面能。
进一步的，步骤B中，上/下电极板为ITO玻璃或高掺杂的导电硅片。
进一步的，步骤B具体为：用匀胶机在ITO玻璃或高掺杂硅片上旋涂一层热固性聚合物聚二甲基硅氧烷，聚合物聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为30-50μm。
进一步的，步骤C中，突起的微结构阵列中微结构突起的高度为5-15μm。
进一步的，步骤D中，预设的空气间隙为5-20μm。
进一步的，步骤D具体为：上电极与下电极形成一对平面电极，上极板和金属通孔模板之间设有空气间隙，空气间隙为5-20μm，采用高压电源，电源正极连上电极板，负极连下电极板，能够对步骤C突起的微结构阵列施加外电场，使聚合物受到的电场力大于自身的表面张力，直至聚合物成型结束。
进一步的，步骤E具体为：保持施加的电压不变，将聚合物所处的环境温度升高并保持一段时间，使聚合物完全固化，待环境温度冷却至室温后脱去上电极板、金属通孔模板和下电极板，最终得到具有双层奇异微结构阵列的超疏水薄膜。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的超疏水薄膜的超疏水表面具有双层奇异微结构，接触角大于150°，滚动角小于5°，双层奇异微结构增大了薄膜表面的粗糙度，降低了液体与基底表面的接触面积，使得聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜获得了超疏水特性，薄膜的制备方法简单，所需成本较为低廉。
本发明的制备方法是一种基于电场诱导的制备方法，通过应用金属通孔模板，使聚合物在金属通孔模板的作用下预成型，并在外加电场的作用下形成双层奇异微结构阵列，这种双层奇异结构的上层结构与下层结构连接在一起，且上层结构其表面具有一定的下凹弧度，可增大薄膜表面的粗糙度，可在聚合物上表面获得超疏水表面，超疏水表面具有双层奇异微结构，接触角大于150°，具有一定的超疏水特性。本发明的制备方法无需昂贵的低表面能材料，工艺简单，成本较低；制备过程中无需使用有毒的苯系物，有利于工程中的大规模应用；所制备的奇异微结构薄膜具有超疏水特性，薄膜的制备方法简单，所需成本较为低廉，具有一定的实用价值。
进一步的，聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种均匀且各相同性的硅胶材料，具有成本低、使用简单、透明性好等优势，并且PDMS材料无色、无味、无毒，具有较低的表面能(19.8mJ/m2-25.0mJ/m2)，但是其表面在未经过任何加工、修饰的情况并不能显现出超疏水效应，因此，可以通过在PDMS表面构筑一层微粗糙结构，使得PDMS达到超疏水表面。采用电场诱导聚合物成型技术，通过电场的作用力在PDMS表面形成奇异微结构，获得了超疏水表面，在自清洁领域具有一定的应用价值。
附图说明
图1是本发明的制备方法中金属通孔模板的俯视结构示意图；
图2是图1的主视剖视结构示意图；
图3是本发明的制备方法中聚合物旋凃在下电极板的结构示意图；
图4是本发明的制备方法中聚合物在金属通孔模板的作用下预成型的柱状微结构阵列示意图；
图5是本发明的制备方法所采用的实验装置模型示意图；
图6是本发明的制备方法中电场诱导过程中聚合物的流变示意图；
图7是本发明的制备方法中电场诱导结束后奇异微结构阵列连接上、下电极板的结构示意图；
图8是图7撤去上电极板和金属通孔模板后奇异微结构阵列的结构示意图；
图9是本发明的制备方法制备的双层奇异微结构的接触角测试图；
图10为本发明的制备方法中PDMS在金属通孔模板作用下预成型的SEM图；
图11为本发明的制备方法中电场诱导固化脱模后形成的双层奇异微结构SEM图；
图12是图11的局部放大图。
在图1至图8中，1为金属通孔模板，2为聚合物涂层，4为上电极板，5为下电极板，6为高压电源，3为在金属模板作用下预成型后的聚合物层，7为加热固化后形成的奇异微结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参考图1至图8，本发明的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)金属通孔模板的制备与处理：在厚度为30-50μm的304不锈钢上采用曝光腐蚀工艺加工出所需的圆形通孔微阵列图形结构，金属模板通孔直径为50-80μm，微孔之间的间距为50-80μm，将金属通孔模板通过全氟硅烷进行表面修饰，以降低其表面能；
(2)上下电极和聚合物材料的选择：上下电极均采用具有优良导电性的平板，可选用ITO玻璃或高掺杂的导电硅片，聚合物采用热固性聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
(3)聚合物的预成型：利用匀胶机在ITO玻璃或高掺杂硅片上旋凃一层热固性聚合物PDMS,其厚度为30-50μm，然后将金属通孔模板与聚合物微接触，聚合物在自然毛细力的作用下在金属模板通孔中预成型，形成突起的微结构阵列，微结构突起的高度为5-15μm；
(4)施加外电场：将另一块ITO玻璃或高掺杂硅片作为上电极，与下电极形成一对平面电极，上极板和金属通孔模板之间有一定的空气间隙，空气间隙为5-20μm，采用高压电源，所施加的电压范围为500-800V，电源正极连上极板，负极连下极板，对突起的微结构阵列施加外电场；
(5)电场诱导成型：调节电压，使聚合物受到的电场力大于其自身的表面张力，持续2-5min，直到聚合物成型过程结束；
(6)聚合物的固化：保持所施加的电压不变，将环境温度调节到90℃下加热30-60min，使聚合物完全固化，待环境温度冷却至室温后脱去上极板和金属通孔模板，最终得到具有双层奇异微结构阵列的薄膜。
实施例1
本发明的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的基于电场诱导的制备方法，包括：
(1)金属通孔模板的制备与处理：参照图1和图2，金属通孔模板1采用曝光腐蚀工艺在表面制备出具有通孔的微结构阵列，金属通孔模板厚度h1为30μm，微结构阵列的通孔W2为50μm，微孔之间的间距W1为50μm，将金属通孔模板经过十七氟癸基三乙氧基硅烷进行表面修饰，即在金属通孔模板的表面形成一层自组装的单分子氟硅薄膜层，使得处理后的金属通孔模板1表面具有极低的表面能，能够防止最后脱离过程中聚合物粘连在其表面。
(2)上下电极和聚合物材料的选择：选择高掺杂的导电硅片作为上电极板4，选择ITO玻璃为下电极板5，使得上下电极形成一对平行的电极板,选用热固性的PDMS为聚合物材料。
(3)聚合物的预成型：参照图3至图5所示，在下电极板5上旋涂一层厚度为30μm厚的聚合物2，随后控制金属通孔模板与导电基底的距离，使金属通孔模板1与聚合物2微接触，聚合物2会在自然毛细力的作用下在金属通孔模板1的通孔内向上突起5μm，形成的柱状微结构阵列3；
(4)施加外电场：参照图5、图6和图7，上电极板4接正极，下电极板5接负极，控制上下电极之间有一定的空气间隙d为50μm，采用高压电源6在上下电极之间施加500V的电压，对预突起的柱状微结构阵列3施加外电场；
(5)电场诱导成型：参照图5、图6和图7，选取一定的电压大小，使得处于上下极板之间的预突起的柱状微结构阵列3受到一个向上的力F的作用，电场力F可以使聚合物克服其自身的表面张力，使得柱状微结构阵列3向上生长，通电2min，使得聚合物与上极板4接触；
(6)聚合物的固化：参照图7和图8，保持上下极板之间的电压不变，将环境温度升高到90℃保持30min，使聚合物完全固化，随后降低至室温，并撤去上极板和金属通孔模板，得到了一种具有双层奇异微结构阵列的薄膜。
实施例2
本发明的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的基于电场诱导的制备方法，包括：
(1)金属通孔模板的制备与处理：参照图1和图2，金属通孔模板1采用曝光腐蚀工艺在表面制备出具有通孔的微结构阵列，金属通孔模板厚度h1为40μm，微结构阵列的通孔W2为60μm，微孔之间的间距W1为70μm，将金属通孔模板经过全氟硅烷进行表面修饰，即在金属通孔模板的表面形成一层自组装的单分子氟硅薄膜层，使得处理后的金属通孔模板1表面具有极低的表面能，能够防止最后脱离过程中聚合物粘连在其表面。
(2)上下电极和聚合物材料的选择：选择高掺杂的导电硅片作为下电极板5，选择ITO玻璃为上电极板4，使得上下电极形成一对平行的电极板,选用热固性的PDMS为聚合物材料。
(3)聚合物的预成型：参照图3至图5所示，在下电极板5上旋涂一层厚度为40μm厚的聚合物2，随后控制金属通孔模板与导电基底的距离，使金属通孔模板1与聚合物2微接触，聚合物2会在自然毛细力的作用下在金属通孔模板1的通孔内向上突起10μm，形成的柱状微结构阵列3；
(4)施加外电场：参照图5、图6和图7，上电极板4接正极，下电极板5接负极，控制上电极与金属通孔模板之间有一定的空气间隙d为5μm，采用高压电源6在上下电极之间施加700V的电压，对预突起的柱状微结构阵列3施加外电场；
(5)电场诱导成型：参照图5、图6和图7，选取一定的电压大小，使得处于上下极板之间的预突起的柱状微结构阵列3受到一个向上的力F的作用，电场力F可以使聚合物克服其自身的表面张力，使得柱状微结构阵列3向上生长，通电4min，使得聚合物与上极板4接触；
(6)聚合物的固化：参照图8和图7，保持上下极板之间的电压不变，将环境温度升高到90℃保持40min，使聚合物完全固化，随后降低至室温，并撤去上极板和金属通孔模板，得到了一种具有双层奇异微结构阵列的薄膜。
实施例3
本发明的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的基于电场诱导的制备方法，包括：
(1)金属通孔模板的制备与处理：参照图1和图2，金属通孔模板1采用曝光腐蚀工艺在表面制备出具有通孔的微结构阵列，金属通孔模板厚度h1为50μm，微结构阵列的通孔W2为80μm，微孔之间的间距W1为80μm，将金属通孔模板经过全氟硅烷进行表面修饰，即在金属通孔模板的表面形成一层自组装的单分子氟硅薄膜层，使得处理后的金属通孔模板1表面具有极低的表面能，能够防止最后脱离过程中聚合物粘连在其表面。
(2)上下电极和聚合物材料的选择：选择高掺杂的导电硅片作为下电极板5，选择ITO玻璃为上电极板4，使得上下电极形成一对平行的电极板,选用热固性的PDMS为聚合物材料。
(3)聚合物的预成型：参照图3至图5所示，在下电极板5上旋涂一层厚度为50μm厚的聚合物2，随后控制金属通孔模板与导电基底的距离，使金属通孔模板1与聚合物2微接触，聚合物2会在自然毛细力的作用下在金属通孔模板1的通孔内向上突起15μm，形成的柱状微结构阵列3；
(4)施加外电场：参照图5、图6和图7，上电极板4接正极，下电极板5接负极，控制上电极与金属通孔模板之间有一定的空气间隙d为20μm，采用高压电源6在上下电极之间施加800V的电压，对预突起的柱状微结构阵列3施加外电场；
(5)电场诱导成型：参照图5、图6和图7，调节电压大小，使得处于上下极板之间的预突起的柱状微结构阵列3受到一个向上的力F的作用，电场力F可以使聚合物克服其自身的表面张力，使得柱状微结构阵列3向上生长，通电5min，使得聚合物与上极板4接触；
(6)聚合物的固化：参照图8和图7，保持上下极板之间的电压不变，将环境温度升高到90℃保持60min，使聚合物完全固化，随后降低至室温，并撤去上极板和金属通孔模板，得到了一种具有双层奇异微结构阵列的薄膜。
实施例4
本发明的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的基于电场诱导的制备方法，包括：
(1)金属通孔模板的制备与处理：参照图1和图2，金属通孔模板1采用曝光腐蚀工艺在表面制备出具有通孔的微结构阵列，金属通孔模板厚度h1为30μm，微结构阵列的通孔W2为70μm，微孔之间的间距W1为50μm，将金属通孔模板经过全氟硅烷进行表面修饰，即在金属通孔模板的表面形成一层自组装的单分子氟硅薄膜层，使得处理后的金属通孔模板1表面具有极低的表面能，能够防止最后脱离过程中聚合物粘连在其表面。
(2)上下电极和聚合物材料的选择：选择高掺杂的导电硅片作为上电极板4，选择ITO玻璃为下电极板5，使得上下电极形成一对平行的电极板,选用热固性的PDMS为聚合物材料。
(3)聚合物的预成型：参照图3至图5所示，在下电极板5上旋涂一层厚度为35μm厚的聚合物2，随后控制金属通孔模板与导电基底的距离，使金属通孔模板1与聚合物2微接触，聚合物2会在自然毛细力的作用下在金属通孔模板1的通孔内向上突起，形成的柱状微结构阵列3；
(4)施加外电场：参照图5、图6和图7，上电极板4接正极，下电极板5接负极，控制上电极与金属通孔模板之间有一定的空气间隙d为15μm，采用高压电源6在上下电极之间施加500V的电压，对预突起的柱状微结构阵列3施加外电场；
(5)电场诱导成型：参照图5、图6和图7，调节电压大小，使得处于上下极板之间的预突起的柱状微结构阵列3受到一个向上的力F的作用，电场力F可以使聚合物克服其自身的表面张力，使得柱状微结构阵列3向上生长，通电2min，使得聚合物与上极板4接触；
(6)聚合物的固化：参照图7和图8，保持上下极板之间的电压不变，将环境温度升高到90℃保持30min，使聚合物完全固化，随后降低至室温，并撤去上极板和金属通孔模板，得到了一种具有双层奇异微结构阵列的薄膜。
为表征奇异微结构的疏水性，对奇异微结构薄膜的接触角测试，如图9所示，测试表明，所得薄膜的接触角达到150°，滚动角小于5°，如图9所示，利用SEM表征了薄膜表面的形貌，如图10、图11和图12所示，结果表明，预成型的微结构阵列在电场作用下形成了双层奇异微结构，这种微结构增大了薄膜表面的粗糙度，降低了液体与基底表面的接触面积，使得PDMS薄膜获得了超疏水特性。本发明在金属通孔模板和外界电场的作用下使聚合物向上成型，获得了奇异微结构阵列，此方法步骤简单，成本较低，所形成的奇异微结构可以广泛用于自清洁领域。
上述本发明的制备方法使用的制备装置，包括上电极板、下电极板、金属通孔模板和高压电源；上电极板和下电极板连接高压电源组成一对平面电极，上电极板和下电极均为导电的平板，可采用ITO玻璃或高掺杂的导电硅片，金属通孔模板上加工有通孔微阵列图形结构，通孔为圆形。
Claims (10)
1.一种具有奇异微结构的超疏水薄膜，其特征在于，所述超疏水薄膜由聚二甲基硅氧烷制成，超疏水表面具有双层奇异微结构，接触角大于150°，滚动角小于5°。
2.一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在金属板上加工通孔微阵列图形结构，制得金属通孔模板(1)；
B、取两个具有导电性的平板分别作为上电极板(4)和下电极板(5)，在下电极板(5)上涂一层热固性聚合物聚二甲基硅氧烷；
C、将步骤A制得的金属通孔模板(1)放置在聚合物涂层(2)上方并形成微接触，聚合物在自然毛细力的作用下能够在金属模板通孔中预成型并形成突起的微结构阵列；
D、将上电极板(4)与下电极板(5)组成一对平面电极，上电极板(4)和金属通孔模板(1)之间留有预设的空气间隙，上电极板(4)与下电极板(5)与高压电源(6)连接，上电极板(4)与下电极板(5)通入高压电源(6)并保持，使聚合物受到的电场力大于自身的表面张力，直至聚合物成型结束；
E、将步骤D成型结束的聚合物固化，获得具有奇异微结构的超疏水薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，步骤A中，金属板的厚度为30-50μm，采用曝光腐蚀工艺加工圆形通孔微阵列图形结构，圆形通孔直径为50-80μm，相邻通孔之间的间距为50-80μm。
4.根据权利要求2所述的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，步骤A中，金属板为304不锈钢，获得金属通孔模板(1)后，金属通孔模板(1)通过全氟硅烷进行表面修饰，用于降低金属通孔模板(1)的表面能。
5.根据权利要求2所述的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，步骤B中，上/下电极板为ITO玻璃或导电硅片。
6.根据权利要求2所述的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，步骤B具体为：用匀胶机在ITO玻璃或高掺杂硅片上旋涂一层热固性聚合物聚二甲基硅氧烷，聚合物聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为30-50μm。
7.根据权利要求6所述的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，步骤C中，突起的微结构阵列中微结构突起的高度为5-15μm。
8.根据权利要求2所述的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，步骤D中，预设的空气间隙为5-20μm。
9.根据权利要求2所述的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，步骤D具体为：上电极与下电极形成一对平面电极，上极板和金属通孔模板(1)之间设有空气间隙，空气间隙为5-20μm，采用高压电源(6)，电源正极连上电极板(4)，负极连下电极板(5)，能够对步骤C突起的微结构阵列施加外电场，使聚合物受到的电场力大于自身的表面张力，直至聚合物成型结束。
10.根据权利要求2所述的一种具有奇异微结构的超疏水薄膜的制备方法，其特征在于，步骤E具体为：保持施加的电压不变，将聚合物所处的环境温度升高并保持一段时间，使聚合物完全固化，待环境温度冷却至室温后脱去上电极板(4)、金属通孔模板(1)和下电极板(5)，最终得到具有双层奇异微结构阵列的超疏水薄膜。
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