CN111233342A - 疏水性基板及其制备方法、电子屏幕和电子器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种疏水性基板及其制备方法、电子屏幕和电子器件，疏水性基板的制备方法，包括以下步骤：取基板，对所述基板进行羟基处理使得所述基板的表面接枝羟基，然后置于惰性气体中加入引发剂，所述引发剂能够与所述羟基发生酰化反应，得到酰化基板；取催化剂、溶剂和甲基丙烯酸氟代烷酯单体形成混合溶液；取所述混合溶液涂覆至所述酰化基板上，进行光照处理使得所述甲基丙烯酸氟代烷酯单体聚合。本发明利用原子转移自由基聚合(ATRP)反应，在基板上接枝疏水聚合物层，反应条件温和、操作简单、制备时间短，制得的疏水性基板在电子屏幕等产品领域中具有重大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及基板处理技术领域，尤其是涉及一种疏水性基板及其制备方法、电子屏幕和电子器件。
背景技术
近年来，电子产品在生活中的应用日益广泛，以智能手机为代表，屏幕的触摸面板化正在加快。因而往往需要在触摸屏表面喷涂抗污剂，该抗污剂需要具有优异的热稳定性能、疏水疏油性能、耐化学品性能等系列理化特性。
现在大多数应用在屏幕上增加疏水性的技术是表面涂覆类的表面工程技术。这一类表面工程技术主要包括电镀、电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。现在常用的表面涂敷材料是聚对二甲苯(Poly-p-xylene)，商品名帕里纶(Parylene)，是通过化学气相沉积法制备的具有聚二甲苯结构的聚合物薄膜的统称，它有极其优良的电性能、耐热性、耐候性和化学稳定性，主要有Parylene N(聚对二甲苯)、Parylene C(聚对二氯甲苯)和Parylene D(聚二氯对二甲苯)三种。聚对二甲苯通常利用真空热解气相堆积工艺制备，可制成极薄的薄膜，主要用作薄膜和涂层，用于电子元器件的电绝缘介质、保护性涂料和包封材料等。
目前，屏幕表面涂敷防护剂聚对二甲苯薄膜的方式主要采用化学气相沉积法，该方法存在以下缺点：(1)粗糙、无法形成图案的缺点；(2)涂层与基材之间容易发生分层，即使在诸如剥离和牺牲光致抗蚀剂释放的标准MEMS(微机电系统MicroelectromechanicalSystems，缩写为MEMS，是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内)工艺期间也经常发现聚对二甲苯-C和其它材料之间的严重分层；(3)由于水在聚对二甲苯涂敷层上的接触角相对较小(92.8°)，聚对二甲苯不具有很强的疏水性。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种疏水性基板及其制备方法、电子屏幕和电子器件，利用该制备方法在基板上化学接枝含氟疏水层，能够提高基板的疏水性，并且疏水层与基板不易脱离，解决了疏水层与基板的贴合问题。
本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一方面，提供一种疏水性基板的制备方法，包括以下步骤：
取基板，对所述基板进行羟基处理使得所述基板的表面接枝羟基，然后置于惰性气体中加入引发剂，所述引发剂能够与所述羟基发生酰化反应，反应得到酰化基板；
取催化剂、溶剂和甲基丙烯酸氟代烷酯单体形成混合溶液；
取所述混合溶液涂覆至所述酰化基板上，进行光照处理使得所述甲基丙烯酸氟代烷酯单体聚合。
根据本发明的一些实施例，所述引发剂含有
中任一种基团。此类引发剂含有的基团中断开键左侧的基团如卤素、硅烷等能够和基板上接枝的羟基进行酰化反应，从而使得引发剂以共价键的方式与基板连接并固定在基板上，使得后续光聚合反应生成的聚合物层可以与基板完美相贴合，而其他的引发剂如偶氮二异丁腈，只是在溶液中分解生成自由基，并没有固定在基板上，后续反应形成的聚合物也溶解在溶液中或者吸附粘粘在基底上，并没有通过化学键与基板相连接，并不牢固，聚合物层与基板之间容易发生分层。
根据本发明的一些实施例，所述引发剂包括2-溴异丁酰溴、2-溴丙酰溴、4-氯甲基苯基三氯硅烷中的任一种。
根据本发明的一些实施例，所述羟基处理为使用氧气等离子体进行处理或者使用食人鱼溶液处理。
根据本发明的一些实施例，所述催化剂为小分子有机光催化剂，所述小分子有机光催化剂包括10-苯基吩噻嗪、二萘嵌苯、荧光素中的任一种。现有的原子转移自由基聚合反应通常需要昂贵的金属基催化剂，本发明的制备方法成功地将一种相对廉价的、不含颜色/金属的有机吩噻嗪光催化剂用于原子转移自由基聚合(ATRP)，该催化剂具有较高效率、在聚合物中残留较少、成本较低的好处。
根据本发明的一些实施例，进行所述光照处理时使用掩模板以形成图案。
根据本发明的一些实施例，所述甲基丙烯酸氟代烷酯单体选自(甲基)丙烯酸三氟甲酯、(甲基)丙烯酸三氟乙酯、(甲基)丙烯酸四氟丙酯、(甲基)丙烯酸四氟丁酯、(甲基)丙烯酸五氟乙酯、(甲基)丙烯酸五氟丙酯、(甲基)丙烯酸五氟丁酯、(甲基)丙烯酸六氟丁酯、(甲基)丙烯酸七氟丁酯、(甲基)丙烯酸七氟戊酯、(甲基)丙烯酸八氟戊酯、(甲基)丙烯酸八氟己酯、(甲基)丙烯酸九氟戊酯、(甲基)丙烯酸九氟己酯、(甲基)丙烯酸十氟己酯、(甲基)丙烯酸十氟庚酯、(甲基)丙烯酸十一氟己酯、(甲基)丙烯酸十一氟庚酯、(甲基)丙烯酸十二氟庚酯、(甲基)丙烯酸十二氟辛酯、(甲基)丙烯酸十三氟庚酯、(甲基)丙烯酸十三氟辛酯、(甲基)丙烯酸十四氟辛酯、(甲基)丙烯酸十四氟壬酯(甲基)丙烯酸十五氟辛酯、(甲基)丙烯酸十五氟癸酯、(甲基)丙烯酸十六氟壬酯、(甲基)丙烯酸十六氟癸酯、(甲基)丙烯酸十七氟癸酯、(甲基)丙烯酸十七氟十一酯、(甲基)丙烯酸十八氟癸酯、(甲基)丙烯酸十八氟十一酯、(甲基)丙烯酸十九氟十一酯、(甲基)丙烯酸十九氟十二酯中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述基板的材料为玻璃、硅片、二氧化硅、植物纤维、石墨烯、纳米金、聚合物中的任一种。本发明实施例使用的基板的材料可以为硅材质的基材如硅片或SiO2，植物纤维如细菌纤维素、纤维素纳米晶、木纤维、木质素纳米纤维，石墨烯、金纳米颗粒材料、聚合物如PET薄膜、PEN薄膜等。
根据本发明的一些实施例，在疏水性基板的整个制备过程中，反应过程在惰性气氛中进行，以避免引发剂如2-溴异丁酰溴的水解和甲基丙烯酸氟代烷酯单体的自聚。
本发明的第二方面，提供一种疏水性基板，由上述的疏水性基板的制备方法制得。
本发明的第三方面，提供一种电子屏幕，包括上述的疏水性基板。
本发明的第四方面，提供一种电子器件，包括上述的电子屏幕。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种疏水性基板的制备方法，先对基板进行羟基处理使得基板接枝上羟基基团，然后加入引发剂与接枝在基板上的羟基发生酰化反应得到酰化基板，该酰化基板上接枝的大分子引发剂后续在光照条件下引发单体进行原子转移自由基聚合(ATRP)反应形成含氟聚合物刷，该含氟聚合物刷具有较高的疏水性能够使得制成的疏水性基板具有优异的疏水疏油性能，控制光照辐射的时间能够调控聚合物的接枝长度，从而能够调节疏水层的厚度，本发明实施例利用化学接枝的方式在基板上接枝疏水性聚合物，提高了基板的疏水性，并且由于是化学接枝而不是简单地涂覆或化学沉积，聚合物刷与基板之间具有较强的化学键合力，两者不易发生脱落，解决了疏水层与基板的贴合问题，利用光照驱动ATRP反应在基板上直接光催化ATRP聚合，操作简单、反应条件温和、制备时间短，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中疏水性基板的制备过程示意图；
图2为实施例1中疏水性基板的表征结果图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种疏水性基板，本实施例使用的甲基丙烯酸氟代烷酯单体为(甲基)丙烯酸三氟乙酯(TFEMA)，按照以下步骤制备，参见图1，图1为实施例1中疏水基板的制备过程示意图：
(1)取ITO玻璃基片切割成近似2cm×2cm作为基板，将基板分别在洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水中清洗20分钟，然后置于氮气流中干燥20分钟，随后在氧气等离子体清洗机(PDC-002)中处理，在氧气等离子体的作用下使得ITO玻璃基板表面接枝上羟基基团。将带有羟基的基板放置在一个充满惰性气体的150毫升的三颈瓶，在氩气保护下，加入20mL DMF、1.6mL三甲胺。滴加2-溴异丁酰溴(BiBB)1.6mL，以转速350rmp搅拌，反应在冰水浴(-2-5℃)下进行2h，室温下进行24h，反应结束后分别用DMF和去离子水洗涤，再在真空中隔夜干燥得到酰化基板。
(2)向10mL Schlenk管中加入62.4mg 10-苯基吩噻嗪(PTH)、0.6mL DMF、3mL(甲基)丙烯酸三氟乙酯(含氟单体TFEMA)形成混合溶液。将混合溶液进行3次冷冻循环脱气后用铝箔包裹放入手套箱中。在手套箱中，将步骤(1)中酰化基板放入培养皿中，将上述混合溶液滴加在酰化基板表面至完全覆盖，然后将盖玻片放在酰化基板顶部以在盖玻片和酰化基板之间形成薄溶液层，放置在365nm紫外光源下1.5cm处反应2h，在反应过程中2-溴异丁酰溴作为大分子引发剂通过表面引发的可控自由基聚合(SI-CRP)反应在DMF溶剂中发生自由基聚合反应，最终在ITO玻璃基板上生长了一层含氟聚合物层(聚TFEMA)，本发明实施例可以通过控制反应时间可以调控含氟聚合物的厚度。取出后依次用DMF和去离子水冲洗干净，放入真空干燥箱室温干燥过夜3小时，得到疏水性基板。
对本实施例制得的疏水性基板进行表面形貌观察和化学成分分析，结果如图2所示，其中图2中(a)表示疏水性基板俯视角度的扫描电镜图，该扫描电镜图中标尺为200nm，EHT＝2.00kV，WD＝5.6mm，Mag＝50.00K X，Signal A＝SE2；(b)表示疏水性基板剖面的扫描电镜图，该扫描电镜图中标尺为1μm；(c)表示疏水性基板的聚合物层进行EDS元素分析的C元素图；(d)表示疏水性基板的聚合物层进行EDS元素分析的Si元素图；(c)-(d)中标尺为1μm，HV＝8.0keV，放大倍数＝5000x，WD＝8.6mm。从图(2)中(a)可以看出本实施例在ITO基板上生长的聚合物层是均匀的，没有形成气泡、凸起或裂纹，图2中(b)显示在ITO玻璃表面生长了一层1.5μm厚的含氟聚合物，图2中(c)的EDS元素分析证明ITO玻璃表面结构中含有大量的碳，进一步通过图2中(d)证实了这些碳是聚TFEMA在富硅ITO玻璃基板上，这也证明了疏水性基板表面的结构是聚合物，而不是一层未反应的液体单体。
取水滴在本实施例的疏水性基板上，测得含氟聚合物层的水的接触角为105.1°，相较于现有的聚对二甲苯涂覆材料的水接触角(92.8°)要高，并且将本实施例的疏水性基板放置三个月后测定其仍然具有较高的疏水性，表明本发明实施例的疏水性基板的疏水性能够保持较长的时间，将本实施例中的疏水性基板作为导电元件连接3v电压的电路中，发现LED灯发出明亮的光，表明接枝含氟聚合物后的基板仍然具有较高的电导率，本发明实施例的处理方法不会影响基板本身的性能，在电子屏幕等电子产品中具有重大的应用价值。
现有的原子转移自由基聚合反应通常需要昂贵的金属基催化剂，本实施例的制备方法采用表面引发聚合进行合成，能够使用无金属的10-苯基吩噻嗪(PTH，10-phenylphenothiazine)作为催化剂，该催化剂具有较高效率且在聚合物中残留也较少，成本较低，在室温条件下接枝2h即可在基板上形成聚合物层，聚合反应条件温和、简单易操作，由于疏水聚合物层与基板之间属于化学键相连接，相较于现有技术中两者靠物理作用结合的方式，本发明制得的疏水性基板的疏水层和基板结合更为牢固，解决了疏水聚合物层与基板的贴合易脱落的问题。
实施例2
本实施例提供一种疏水性基板，本实施例使用的甲基丙烯酸氟代烷酯单体为(甲基)丙烯酸十七氟癸酯，按照以下步骤制备：
(1)取FTO玻璃基片切割成近似2cm×2cm作为基板，将基板分别在洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水中清洗20分钟，然后置于氮气流中干燥20分钟，随后在氧气等离子体清洗机(PDC-002)中处理，在氧气等离子体的作用下使得FTO玻璃基板表面接枝上羟基基团。将带有羟基的基板放置在一个充满惰性气体的150毫升的三颈瓶，在氩气保护下，加入20mL DMF、1.6mL三乙胺。滴加2-溴异丁酰溴(BiBB)1.6mL，以转速350rmp搅拌，反应在冰水浴(-2-5℃)下进行2h，室温下进行24h，反应结束后分别用DMF和去离子水洗涤，再在真空中隔夜干燥得到酰化基板。
(2)向10mL Schlenk管中加入62.4mg 10-苯基吩噻嗪(PTH)、0.6mL DMF、9.5mL(甲基)丙烯酸十七氟癸酯形成混合溶液。将混合溶液进行3次冷冻循环脱气后用铝箔包裹放入手套箱中。在手套箱中，将步骤(1)中酰化基板放入培养皿中，将上述混合溶液滴加在酰化基板表面至完全覆盖，然后将盖玻片放在酰化基板顶部以在盖玻片和酰化基板之间形成薄溶液层，放置在365nm紫外光源下，在紫外光源和涂覆有混合溶液的酰化基板之间放置掩模板，反应0.5h，在反应过程中2-溴异丁酰溴作为大分子引发剂通过表面引发的可控自由基聚合(SI-CRP)反应在DMF溶剂中发生自由基聚合反应，并且由于掩模板的作用最终在FTO玻璃基板上生长了一层图案化的含氟聚合物层，取出后依次用DMF和去离子水冲洗干净，放入真空干燥箱室温干燥过夜3小时，得到带有图案的疏水性基板。
本实施例通过使用掩模板可以获得图案化的疏水性基板，根据实际需求调整掩模板可以得到不同图案，扩展了应用范围。
实施例3
本实施例提供一种疏水性基板，本实施例使用的甲基丙烯酸氟代烷酯单体为(甲基)丙烯酸十三氟辛酯，按照以下步骤制备：
(1)取FTO玻璃基片切割成近似2cm×2cm作为基板，将基板浸泡到碱性的肥皂水中超声处理5分钟，然后用去离子水冲洗干净，将用去离子水冲洗干净的基板浸到98％浓度的硫酸中，然后再加入30％浓度的双氧水(硫酸和双氧水的体积比是7:3)，加完双氧水后再水浴煮50分钟。用“食人鱼”溶液煮完的玻璃表面还残留大量的硫酸溶液，因此要用大量的去离子水冲洗，洗净后再用大量的乙醇冲洗，乙醇冲洗完之后再80摄氏度的条件下干燥24小时，此时玻璃表面含有大量的羟基。将带有羟基的基板放置在一个充满惰性气体的150毫升的三颈瓶，在氩气保护下，加入60mL DMF、滴加4-氯甲基苯基三氯硅烷1.6mL，以600rmp搅拌，室温下进行24h，反应结束后分别用DMF和去离子水洗涤，再在真空中隔夜干燥得到酰化基板。
(2)向10mL Schlenk管中加入62.4mg 10-苯基吩噻嗪(PTH)、0.6mL DMF、7.9mL(甲基)丙烯酸十三氟辛酯形成混合溶液。将混合溶液进行3次冷冻循环脱气后用铝箔包裹放入手套箱中。在手套箱中，将步骤(1)中酰化基板放入培养皿中，将上述混合溶液滴加在酰化基板表面至完全覆盖，然后将盖玻片放在酰化基板顶部以在盖玻片和酰化基板之间形成薄溶液层，放置在365nm紫外光源下，在紫外光源和涂覆有混合溶液的酰化基板之间放置掩模板，反应0.5h，在反应过程中4-氯甲基苯基三氯硅烷作为大分子引发剂通过表面引发的可控自由基聚合(SI-CRP)反应在DMF溶剂中发生自由基聚合反应，并且由于掩模板的作用最终在FTO玻璃基板上生长了一层图案化的含氟聚合物层，取出后依次用DMF和去离子水冲洗干净，放入真空干燥箱室温干燥过夜，得到带有图案的疏水性基板。
本实施例提供的疏水性基板能够应用于电子屏幕，具有潜在的商业价值。
Claims (10)
1.一种疏水性基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取基板，对所述基板进行羟基处理使得所述基板的表面接枝羟基，然后置于惰性气体中加入引发剂，所述引发剂能够与所述羟基发生酰化反应，得到酰化基板；
取催化剂、溶剂和甲基丙烯酸氟代烷酯单体形成混合溶液；
取所述混合溶液涂覆至所述酰化基板上，进行光照处理使得所述甲基丙烯酸氟代烷酯单体聚合。
2.根据权利要求1所述的疏水性基板的制备方法，其特征在于，所述引发剂含有
中任一种基团，X表示卤素。
3.根据权利要求2所述的疏水性基板的制备方法，其特征在于，所述引发剂包括2-溴异丁酰溴、2-溴丙酰溴、4-氯甲基苯基三氯硅烷中的任一种。
4.根据权利要求1至3任一项所述的疏水性基板的制备方法，其特征在于，所述羟基处理为使用氧气等离子体进行处理或者使用食人鱼溶液处理。
5.根据权利要求1至3任一项所述的疏水性基板的制备方法，其特征在于，所述催化剂为小分子有机光催化剂，所述小分子有机光催化剂包括10-苯基吩噻嗪、二萘嵌苯、荧光素中的任一种。
6.根据权利要求1至3任一项所述的疏水性基板的制备方法，其特征在于，进行所述光照处理时使用掩模板以形成图案。
7.根据权利要求1至3任一项所述的疏水性基板的制备方法，其特征在于，所述甲基丙烯酸氟代烷酯单体选自(甲基)丙烯酸三氟甲酯、(甲基)丙烯酸三氟乙酯、(甲基)丙烯酸四氟丙酯、(甲基)丙烯酸四氟丁酯、(甲基)丙烯酸五氟乙酯、(甲基)丙烯酸五氟丙酯、(甲基)丙烯酸五氟丁酯、(甲基)丙烯酸六氟丁酯、(甲基)丙烯酸七氟丁酯、(甲基)丙烯酸七氟戊酯、(甲基)丙烯酸八氟戊酯、(甲基)丙烯酸八氟己酯、(甲基)丙烯酸九氟戊酯、(甲基)丙烯酸九氟己酯、(甲基)丙烯酸十氟己酯、(甲基)丙烯酸十氟庚酯、(甲基)丙烯酸十一氟己酯、(甲基)丙烯酸十一氟庚酯、(甲基)丙烯酸十二氟庚酯、(甲基)丙烯酸十二氟辛酯、(甲基)丙烯酸十三氟庚酯、(甲基)丙烯酸十三氟辛酯、(甲基)丙烯酸十四氟辛酯、(甲基)丙烯酸十四氟壬酯(甲基)丙烯酸十五氟辛酯、(甲基)丙烯酸十五氟癸酯、(甲基)丙烯酸十六氟壬酯、(甲基)丙烯酸十六氟癸酯、(甲基)丙烯酸十七氟癸酯、(甲基)丙烯酸十七氟十一酯、(甲基)丙烯酸十八氟癸酯、(甲基)丙烯酸十八氟十一酯、(甲基)丙烯酸十九氟十一酯、(甲基)丙烯酸十九氟十二酯中的至少一种。
8.一种疏水性基板，其特征在于，由权利要求1至7任一项所述的疏水性基板的制备方法制得。
9.一种电子屏幕，其特征在于，包括权利要求8所述的疏水性基板。
10.一种电子器件，其特征在于，包括权利要求9所述的电子屏幕。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200605 |