CN110028037A - 一种超疏水半球阵列的复制加工工艺 - Google Patents

一种超疏水半球阵列的复制加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于微细加工技术领域，一种超疏水半球阵列的复制加工工艺，预处理：对半球微坑阵列的金属模具进行机械抛光，清洗，吹干；微纳结构构建：对模具表面进行微纳米结构构建，超声清洗，吹干；复制加工：利用环氧树脂E51或PDMS模块胶对金属模具进行浇注，并经真空环境下脱泡、加热固化处理，或使用PP、PC、PE或PTFE板材于模具上热压处理，冷却至室温后，徒手脱模得到聚合物半球阵列；超疏水处理：将得到的聚合物半球阵列置于质量分数1％的氟硅烷乙醇溶液中修饰，取出烘干，即得到超疏水半球阵列。本发明方法具有成本低、易操作、可选材料种类多、可徒手脱模、模具可重复使用等优点，可有效丰富构建微小阵列结构的技术手段。

Description

一种超疏水半球阵列的复制加工工艺
技术领域
本发明属于微细加工技术领域，涉及到一种高径比≥0.48的超疏水半球阵列的复制加工工艺。
背景技术
近年来，针对冻雨可能造成的输电线断裂、飞机飞行阻力增加、车辆与路面摩擦力降低等安全问题，研究人员一直致力于依靠水滴撞击特定超疏水表面时液-固接触时间短且易滚落的特征来防止冻雨附着。考虑到对固定体积的液滴，液-固接触时间几乎不随撞击速度而发生改变，如何进一步减小液-固接触时间对提高超疏水表面防冻雨抗结冰具有重要意义。2013-2015年间，研究人员陆续发现液滴撞击超疏水表面上高180μm的长条形脊状结构(Nature.2013,503:385-388)、直径高度为几十至几百微米级的长条形脊柱状结构(Nature Communications.2015,6:8001)及横向放置的直径几个毫米的长条形圆柱状结构曲面(Nature Communications.2015,6:10034)时，液-固接触时间均有一定程度的降低。然而，实际应用时大部分雨滴均不会滴落在上述脊状或圆柱状结构曲面上，应用价值较低。
直到2014年，Liu等率先报道了水滴撞击直径20μm～100μm、高度800μm～1200μm、间距100μm的超疏水锥柱和方柱阵列上会出现饼状弹跳(Nature Physics,2014,10:515-519)，液-固接触时间减小约80％。这类亚毫米级柱状结构均能保证雨滴与之接触，应用价值较大。2016年，Hecksher等成功将尺度放大近百倍，在水气球撞击间距为1.85cm的钉子板阵列时实现宏观饼状弹跳功能(European Journal of Physics,2016,38)。2017年，申请人也发现直径≤1250μm、高度600μm～1000μm、间距≤250μm的超疏水圆柱阵列也可实现液滴饼状弹跳(ACS nano,2017,11:9259-9267)，且该尺寸易于大面积加工。综合来看，目前可实现液滴饼状弹跳功能结构的高径比均在0.48以上。在液滴碰撞过程中，半球结构上窄下宽的特征为其阵列聚集足够毛细能及释放提供了空间，故高径比≥0.48的超疏水半球阵列极有可能实现液滴饼状弹跳。然而，目前除增材制造外，几乎无其它可有效获得超疏水半球阵列的方法，于是发明一种易操作、低成本的超疏水半球阵列的加工工艺对丰富微细加工领域至关重要。
发明内容
基于掩膜电解加工出的高深径比的金属基半球微坑阵列模具，本发明旨在提供一种超疏水半球阵列的复制加工工艺。该工艺易操作、低成本、无需任何脱模剂、模具可重复利用且制备的半球阵列具有对水滴的接触角大于150°、滚动角小于10°的超疏水性。
本发明的技术方案：
一种超疏水半球阵列的复制加工工艺，步骤如下：
(1)预处理：对金属板清洗除油，然后进行机械抛光，再用去离子水超声清洗，吹干；所述的金属板的材质为铝合金、镁合金、铜、不锈钢；
(2)掩膜制备：依次将光致抗蚀干膜HT200、具有镂空图案的掩膜板贴于预处理后的金属板上，然后于波长360nm的紫外光下照射20s～40s以引发光聚合反应，再在质量分数5％的Na2CO3溶液中显影1min～3min，从而复制图案到光致抗蚀干膜HT200上；所述的掩膜板上掩膜孔的直径为300μm～800μm，掩膜孔间的中心距为1.8mm～2.4mm；
(3)电解加工：分别将步骤(2)制备得到的金属板和同尺寸的铜板作为阳极和阴极安装在侧冲夹具上，调整阳极和阴极的间隙为1mm～3mm，通过电解液循环系统使阳极和阴极间充满质量分数10％～20％的NaNO3溶液并在电流密度6A·cm-2～20A·cm-2、频率10kHz～30kHz、占空比20％～100％的脉冲参数下加工0.5min～4min，然后将阳极金属板取出并置于质量分数5％的NaOH溶液中去膜1min～5min，经清洗、吹干后获得有半球微坑阵列的金属模具；
(4)微纳结构构建：对步骤(3)中得到的金属模具在频率20kHz～80kHz、功率5W～50W、扫描速度100mm/s～800mm/s参数下进行纳米激光扫描加工，然后进行去离子水超声清洗，吹干；
(5)复制加工：利用环氧树脂E51或PDMS模块胶对步骤(4)中得到的金属模具进行浇注，并经真空环境下脱泡、加热固化处理，或使用PP、PC、PE或PTFE板材于模具上热压处理，冷却至室温后，再直接徒手脱模得到聚合物半球阵列；
(6)超疏水处理：将步骤(3)中得到的聚合物半球阵列置于质量分数1％的氟硅烷乙醇溶液中修饰30min～60min，取出烘干，即得到超疏水半球阵列。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出了一种易操作、成本低、可在多种聚合物材料上构建超疏水半球阵列的复制加工工艺；
(2)本发明无需使用任何脱模剂，直接徒手操作即可脱模，且金属模具具有优异的可重复使用性；
(3)本发明制备的超疏水半球阵列具有对水滴的接触角大于150°、滚动角小于10°的润湿性。
附图说明
图1是实施例获得的半球微坑阵列的镁合金模具的局部显微图。
图2是实施例获得的镁合金基体超疏水半球阵列的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
(1)预处理：对30mm×40mm×2mm的镁合金板进行丙酮清洗除油，然后分别用800#和1500#砂纸打磨进行打磨去除，再用去离子水超声清洗，吹干；
(2)掩膜制备：依次将光致抗蚀干膜HT200和掩膜孔径600μm、中心距1.9mm的掩膜板贴于预处理后的镁合金板上，然后在波长360nm的紫外光下照射30s以引发光聚合反应，再在质量分数5％的Na2CO3溶液中显影1.5min，从而复制图案到干膜上；
(3)电解加工：分别将覆有干膜的镁合金板和同尺寸的铜板作为阳极和阴极安装在侧冲夹具上，调整加工间隙为1.5mm，然后通过电解液循环系统使极间充满质量分数15％的NaNO3溶液，并在电流密度14A·cm-2、频率30kHz、占空比30％的脉冲参数下加工1.5min，再将镁合金板取出并置于质量分数5％的NaOH溶液中浸泡3min去膜，经清洗、吹干后获得有半球微坑阵列的镁合金模具，如图1所示；
(4)微纳结构构建：对步骤(3)中得到的镁合金模具在频率40kHz、功率20W、扫描速度150mm/s参数下进行纳米激光扫描加工，然后进行去离子水超声清洗，吹干；
(5)复制加工：利用PDMS模块胶对步骤(4)中得到的镁合金模具进行浇注，经真空环境下脱泡3h、70℃下加热3h进行固化，然后直接徒手脱模得到PDMS半球阵列；
(6)超疏水处理：将步骤(3)中得到的PDMS半球阵列置于质量分数1％的氟硅烷乙醇溶液中修饰60min，取出烘干，即得到超疏水半球阵列，如图2所示。

Claims (2)

1.一种超疏水半球阵列的复制加工工艺，其特征在于，步骤如下：
(1)预处理：对金属板清洗除油，然后进行机械抛光，再用去离子水超声清洗，吹干；
(2)掩膜制备：依次将光致抗蚀干膜HT200和具有镂空图案的掩膜板贴于预处理后的金属板上，然后于波长360nm的紫外光下照射20s～40s以引发光聚合反应，再在质量分数5％的Na2CO3溶液中显影1min～3min，从而复制图案到光致抗蚀干膜HT200上；所述的掩膜板上掩膜孔的直径为300μm～800μm，掩膜孔间的中心距为1.8mm～2.4mm；
(3)电解加工：分别将步骤(2)制备得到的金属板和同尺寸的铜板作为阳极和阴极安装在侧冲夹具上，调整阳极和阴极的间隙为1mm～3mm，通过电解液循环系统使阳极和阴极间充满质量分数10％～20％的NaNO3溶液并在电流密度6A·cm-2～20A·cm-2、频率10kHz～30kHz、占空比20％～100％的脉冲参数下加工0.5min～4min，然后将阳极金属板取出并置于质量分数5％的NaOH溶液中去膜1min～5min，经清洗、吹干后获得有半球微坑阵列的金属模具；
(4)微纳结构构建：对步骤(3)中得到的金属模具在频率20kHz～80kHz、功率5W～50W、扫描速度100mm/s～800mm/s参数下进行纳米激光扫描加工，然后进行去离子水超声清洗，吹干；
(5)复制加工：利用环氧树脂E51或PDMS模块胶对步骤(4)中得到的金属模具进行浇注，并经真空环境下脱泡、加热固化处理，或使用PP、PC、PE或PTFE板材于模具上热压处理，冷却至室温后，再直接徒手脱模得到聚合物半球阵列；
(6)超疏水处理：将步骤(3)中得到的聚合物半球阵列置于质量分数1％的氟硅烷乙醇溶液中修饰30min～60min，取出烘干，即得到超疏水半球阵列。
2.根据权利要求1所述的复制加工工艺，其特征在于，所述的金属板的材质为铝合金、镁合金、铜、不锈钢。
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