CN113563622A - 一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，包括如下步骤：步骤一、在具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米结构的复合模板上对高聚物进行热压印或热聚合；步骤二、定向去除模板或复合模板得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。该模板可通过光刻在表面形成微米结构然后复合多孔纳米结构；通过调节热压印的时间、压力、温度来对不同的材料进行热压印或热聚合；通过定向脱模，沿着一个方向对模板施加外力，将模板和高聚物分开，得到不对称的纳米线阵列结构；该方法简单易行，成本低廉且能大面积制备促使液滴定向运动的高聚物薄膜，重现性好，周期短，能够根据生产规模的需求而调整。

Description

一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法
技术领域
本发明聚合物膜表面不对称结构制备技术领域，具体涉及一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法。
背景技术
非对称结构(如三角想、倾斜的线和沟槽)，按照一定的方向定向排列，就可以展现出由结构方向决定的各向异性粘附和浸润特性，从而能够实现质量、动量以及能量的定向传输。这种表面可应用于水分收集、微流控、自清洁、水油分离、仿生传感器等多个领域。现阶段制备各向异性结构的方法多采用3D打印技术、光刻技术等昂贵的技术，成本高昂，耗时较长，制备面积较小，很难应用于实际生产但是由于制备技术的局限性，目前所制备表面具有的各向异性结构尺寸往往都是微米级别的，在微米结构的表面修饰着各向同性的纳米结构；或是仅有微米、毫米级别的各向异性结构。以定向运输液滴为例，这种类型的结构表面就不能有效的定向驱离尺寸很小的冷凝微液滴，小尺寸的液滴将会会紧紧的被黏附在表面上，小尺寸液滴呈现浸润表面的状态。因此需要设计出定向倾斜纳米线阵列结构，来驱动更小尺寸液滴的弹离。基于现有制备技术，通过简单、快速的方法制备出各向异性的纳米线阵列结构，至今仍未见报道。
发明内容
本发明的提供一种简单、快速的高聚物膜表面的倾斜纳米线阵列结构的制备方法。
本发明提供了一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米结构的复合模板上对高聚物进行热压印或热聚合；
步骤二、定向去除模板或复合模板得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。
进一步的，所述步骤一中的具有多孔纳米结构模板或微纳复合模板的材质是多孔氧化铝、多孔氧化硅、多孔镍以及多孔氧化钛；所述模板上的纳米结构是由电化学氧化得到，微纳复合模板上的微米结构是通过光刻、激光刻蚀方法形成。
进一步的，所述高聚物是ETFE，PMMA，PE，PS，PC等。
进一步的，所述步骤一、在具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米结构的复合模板上对高聚物进行热压印的具体过程是：以多孔纳米模板或多孔微纳复合模板对高聚物进行热压印，热压印的温度为50～350℃，时间在1min～60min，压强为1.4X104Pa～1.1X106Pa；通过手动定向脱模，沿着一个方向施加外力，将模板和高聚物分开，得到表面具有纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。
进一步的，所述步骤一、在具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米结构的复合模板上对高聚物进行热聚合具体过程是：将高聚物单体通过减压蒸馏制备成预聚物，将预聚物涂抹在平板上，平板是高聚物或玻璃，将制备好的多孔纳米模板或多孔微纳复合模板覆盖在预聚物上，放置在烘箱中进行热聚合，热聚合的温度为50～100℃，时间在18h左右，压强为4.2X104Pa～1.4X105Pa。通过手动定向脱模，沿着一个方向施加外力，将模板和高聚物分开，得到表面具有纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。
进一步的，所述步骤二、定向去除模板或复合模板得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物的具体过程是：将结合在一起的高聚物与模板从压印机或烘箱中取出，将高聚物的一侧固定在平板上，采用5～100N、与模板为30～90°的拉力，定向去除多孔纳米模板或多孔微纳复合模板，就得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。
进一步的，所述的一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，还包括步骤三、镀膜；具体过程是：利用离子溅射、磁控溅射、电子束蒸镀法或化学镀的方法在具有倾斜纳米突起阵列结构的高聚物表面形成一层膜。
本发明的优点是：本发明提供这种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，简单易行，成本低廉且能大面积制备促使液滴定向运动的高聚物薄膜，且无需任何昂贵设备，该方法重现性好，周期短，能够根据生产规模的需求而调整，并实现产业化，因此具有很好的工业应用前景；本方法巧妙的借助外力定向去除模板来促使结构出现不对称性。这种不对称的结构促使液滴沿着倾斜方向运动。
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
图1是为仿生棘轮倾斜纳米线阵列的示意图。
图2是为仿生棘轮倾斜微纳复合结构阵列的示意图。
图3是为仿生棘轮倾斜纳米线阵列表面冷凝液滴定向移动的示意图。
图4是高聚物表面不对称纳米线制备流程图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“对齐”、“重叠”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
本实施例提供了一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米阵列结构的复合模板上对高聚物进行热压印或热聚合；
步骤二、定向去除模板或复合模板得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物；
进一步的，所述模板或复合模板的去除过程是：通过手动定向脱模，沿着一个方向施加外力，将模板和高聚物分开，就会得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。
进一步的，所述步骤一中的具有多孔纳米结构模板或微纳复合模板的材质是多孔氧化铝、多孔氧化硅、多孔镍以及多孔氧化钛；所述模板上的纳米结构是由电化学氧化得到，微纳复合模板上的微米结构是通过光刻、激光刻蚀方法形成。
进一步的，所述高聚物是ETFE，PMMA，PE等。
进一步的，所述步骤一、在具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米结构的复合模板上对高聚物进行热压印的具体过程是：以多孔纳米模板或多孔微纳复合模板对高聚物进行热压印，热压印的温度为50～350℃，时间在1min～60min，压强为1.4X104Pa～1.1X106Pa；通过手动定向脱模，沿着一个方向施加外力，将模板和高聚物分开，得到表面具有纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。
优先的，所述热压印的温度为100℃，时间在45min，压力为500N。
进一步的，所述步骤一、在具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米结构的复合模板上对高聚物进行热聚合具体过程是：将高聚物单体通过减压蒸馏制备成预聚物，将预聚物涂抹在平板上，平板可以是高聚物也可以是玻璃，将制备好的多孔纳米模板或多孔微纳复合模板覆盖在预聚物上，放置在烘箱中进行热聚合，热聚合的温度为50～100℃，时间在18h左右，压强为4.2X104Pa～1.4X105Pa。通过手动定向脱模，沿着一个方向施加外力，将模板和高聚物分开，得到表面具有纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。
优先的，所述热聚合的温度为80℃，时间在17h，压强为7X104Pa。
进一步的，所述步骤二、定向去除模板或复合模板得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物的具体过程是：将结合在一起的高聚物与模板从压印机或烘箱中取出，将高聚物的一侧固定在平板上，采用5～100N、与模板夹角为30～90°的拉力，定向去除多孔纳米模板或多孔微纳复合模板，就得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。
进一步的，所述的一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，通过镀膜；具体过程是：利用离子溅射、磁控溅射、电子束蒸镀法或化学镀的方法在表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物形成一层金属或非金属膜，改善表面机械性能、导电性能。
进一步的，所镀的膜为二氧化硅膜、铜膜或镍膜等，来增加表面硬度，膜的厚度为5～45nm。
进一步的，所述具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米结构的复合模板的制备过程是：
步骤201、预处理；
步骤202、一步氧化反应；
步骤203、剥蚀；
步骤204、二步氧化反应；
步骤205、扩孔。
进一步的，所述步骤201、预处理的具体过程是：
步骤301、将高纯铝箔(0.2mm厚，纯度99.999％)剪为半径为2cm左右的圆片；
步骤302、用去离子水清洗铝箔圆片，然后经氮气流干燥后备用；
步骤303、对铝箔圆片进行电化学抛光，使粗糙或有划痕的铝片表面变得平整光滑；
步骤304、用去离子水再次清洗抛光后铝箔圆片，然后经氮气流干燥后备用；
步骤305、对铝箔圆片进行预氧化，以低温(-10℃～0℃)柠檬酸溶液作为电解液，柠檬酸浓度为0.1～1M，在200V～400V下进行(电流密度<10mA/cm2)温和氧化8h，然后用6wt％的磷酸溶液浸泡剥蚀掉氧化层后，得到有序的微米碗凹坑，得到微米大凹坑结构。
进一步的，所述步骤202、一步氧化反应的过程是：
步骤401、在浓度为0.0001M～10M、温度小于等于25
Figure BDA0003116601370000071
的低温酸性电解液中进行阳极氧化反应形成氧化铝柱孔结构；
步骤402、停止氧化，将氧化铝柱孔结构浸入酸性腐蚀液中进行腐蚀；
步骤403、取出样品，用去离子水冲洗，经氮气流干燥后备用。
进一步的，步骤203、剥蚀的具体过程是：将经过第一步电化学反应氧化后的样品置于三氧化铬和磷酸的混合液中，水浴浸泡，经剥蚀液化学溶解去除第一步氧化得到的氧化铝，在铝基底上得到排列整齐的纳米凹坑，取出样品用去离子水冲洗，经氮气流干燥后备用。
进一步的，所述步骤204、二步氧化反应的具体过程是：
步骤601、在0.0001M～10M、温度小于等于25
Figure BDA0003116601370000072
的低温酸性电解液中对样品进行阳极二次氧化反应；
步骤602、反应结束后，取出样品，用去离子水冲洗，经氮气流干燥后备用。
进一步的，所述步骤205、扩孔的具体过程是：将带有氧化铝多孔层的铝箔置于磷酸(浓度：5％磷酸7mL、水193mL)电解液中扩孔，扩孔时间为30min～150min，即可得到柱孔氧化铝模板。
进一步的，所述电解液的类型可以是草酸，硫酸，柠檬酸酸等。
进一步的，所采用的电极也不限于铂，石墨，镍，铝等。
本发明的优点是：本发明提供这种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，简单易行，成本低廉且能大面积制备促使液滴定向运动的高聚物薄膜，且无需任何昂贵设备，该方法重现性好，周期短，能够根据生产规模的需求而调整，并实现产业化，因此具有很好的工业应用前景；本方法巧妙的借助外力定向去除模板来促使结构出现不对称性。这种不对称的结构促使液滴沿着倾斜方向运动。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米结构的复合模板上对高聚物进行热压印或热聚合；
步骤二、定向去除模板或复合模板得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。
2.如权利要求1所述的一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的具有多孔纳米结构模板或微纳复合模板的材质是多孔氧化铝、多孔氧化硅、多孔镍以及多孔氧化钛；所述模板上的纳米结构是由电化学氧化得到，微纳复合模板上的微米结构是通过光刻、激光刻蚀方法形成。
3.如权利要求1所述的一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，其特征在于：所述高聚物是ETFE，PMMA，PE，PS,PC。
4.如权利要求1所述的一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，其特征在于：所述步骤一、在具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米结构的复合模板上对高聚物进行热压印的具体过程是：以多孔纳米模板或多孔微纳复合模板对高聚物进行热压印，热压印的温度为50～350℃，时间在1min～60min，压强为1.4X104Pa～1.1X106Pa。
5.如权利要求1所述的一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，其特征在于：所述步骤一、步骤一、在具有多孔纳米结构的模板或多孔微纳米结构的复合模板上对高聚物进行热聚合具体过程是：将高聚物单体通过减压蒸馏制备成预聚物，将预聚物涂抹在平板上，平板是高聚物或玻璃，将制备好的多孔纳米模板或多孔微纳复合模板覆盖在预聚物上，放置在烘箱中进行热聚合，热聚合的温度为50～100℃，时间在18h左右，压强为4.2X104Pa～1.4X105Pa。
6.如权利要求1所述的一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，其特征在于：所述步骤二、定向去除模板或复合模板得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物的具体过程是：将结合在一起的高聚物与模板从压印机或烘箱中取出，将高聚物的一侧固定在平板上，采用5～100N、与模板夹角为30～90°的拉力，定向去除多孔纳米模板或多孔微纳复合模板，就得到表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物。
7.如权利要求1所述的一种高聚物膜表面倾斜纳米线阵列结构的制备方法，其特征在于：还包括步骤三、镀膜；具体过程是：利用离子溅射、磁控溅射、电子束蒸镀法或化学镀的方法在表面具有倾斜纳米突起阵列结构或倾斜微纳米突起阵列结构的高聚物形成一层金属或非金属膜，改善表面机械性能、导电性能。
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