TWI402234B - Gradient hydrophobic surface formation method - Google Patents

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梯度化疏水表面形成方法
本發明是關於一種疏水表面形成方法，尤關於一種梯度化疏水表面形成方法。
物體上的梯度化疏水表面可讓液滴在其上藉由疏水性梯度而被驅動。例如在早期研究中，研究人員探討馬蘭哥尼效應(Marangoni effect)的溫度梯度(thermal gradient)造成水滴的移動之現象。
就梯度化疏水表面形成方法而言，Chaudhury and Whitesides(M. K. Chaudhury and G. M. Whitesides,Science ,1992 ,256,1539-1541)首先於1992提出以氣相矽烷擴散法(diffusion)在諸如基板或試片等的物體上形成梯度化疏水表面，其具體之手段是先令前述基板的平面維持在水平狀態，再利用矽烷及矽油混合油滴所揮發出之矽烷蒸氣，藉由與矽烷蒸氣揮發處距離遠近，在前述水平的平面造成濃度梯度，直接鍵結於基板上以產生梯度化矽烷分子，進而達到在基板上形成梯度化疏水表面的目的。
此外Yu等人(X. Yu,Z. Q. Wang,Y. G. Jiang,X. Zhang,Langmuir ,2006 ,22,4483-4486)所發表在諸如基板等物體上形成梯度化疏水表面之方法，先於一容器內垂直設置金的基板，復於該容器中漸漸滴入烷基硫醇疏水改質溶液(HS(CH2 )11 CH3 )，使容器中的改質溶液逐步淹浸基板，以於該金的基板上進行梯度化疏水改質，再以含氫氧基的烷基硫醇(HS(CH2 )10 CH2 OH)親水溶液，鍵結於未反應的金的基板部分，達成在金基板上形成形成梯度化疏水表面梯度化的效果。
如文獻(P. S. Tsai,Yu. M. Yang,Y. L. Lee,2006 ,22,5660-5665)所述，100 μL矽烷溶入25mL的四氯化碳的改質溶液含有4000 ppmv矽烷，經過30分鐘反應時間後，可對試片進行疏水改質。試片上之液滴的靜態接觸角約在100°左右。
然而，前述既有的梯度化疏水表面形成方法各有其待改善之缺點。
Chaudhury and Whitesides之方法需採用揮發矽烷蒸氣，並且需要能夠讓矽烷蒸氣能有效發生作用之環境及設備，從而要求極高之設備成本。此外，Chaudhury and Whitesides之方法極難控制梯度化間距，亦為重大之缺點。
若採用Yu等人之方法，於滴入改質溶液時將從液面激起液沫。該等液沫噴濺至基板上將影響基板表面梯度變化，使基板之表面梯度異於預期。另一方面，Yu等人之滴入式方法在基板上形成之梯度細密度及精確度，又無可避免地受到滴入之液滴大小所左右。當所滴入之液滴較大時，液面每一次上昇之高度較大；當所滴入之液滴較小時，則液面每一次上昇之高度亦隨之較小。從而採用Yu等人之滴入式方法形成疏水梯度時，若非遷就較大液滴而犧牲梯度之細密度及精確度，則需採用能產生較小液滴之技術手段。
因此，為了精確地滴入溶液，以確實形成梯度化疏水表面，必須精密地控制溶液滴入量，從而Yu等人之方法不僅難以避免液沫噴濺之問題，更需要細緻而大量的人工作業或是高成本的精密機械設備，而高昂的人工成本或設備成本將使其製造成本無法下降。
有鑒於前述既有梯度化疏水表面形成方法的缺點，本發明之目的在於提供一種簡便而低成本的梯度化疏水表面形成方法。
為達到前述目的，本發明所採取之技術手段是令前述梯度化疏水表面形成方法包括有：齊備具有一平面之物體，該平面具有外露之氫氧基，且該平面上定義有複數區域；令前述物體相對於一改質溶液逐步單向移動，使前述物體之平面上之複數區域與前述改質溶液接觸時間連續遞增或遞減，其中，該改質溶液包括有選自由氯仿、甲醇及甲苯所組成群組之有機溶劑以及溶於該有機溶劑之矽烷；自改質溶液獲取前述物體，其中，前述物體之平面上之各區域，依序因接觸改質溶液時間遞增或遞減而具備漸強或漸弱疏水性，從而前述物體之平面形成為梯度化之疏水表面。
由於本發明之梯度化疏水表面形成方法採用上述之步驟，因此只需控制平面的各區域浸入改質溶液的時間，既無需控制溶液滴入量，也無需花費高額成本維持能讓矽烷蒸氣發生作用之環境，的確能夠改善既有梯度化疏水表面形成方法的缺點，達成本發明之目的，提供一種簡便而低成本的梯度化疏水表面形成方法。
本發明提供一種梯度化疏水表面形成方法，包括有以下第一步驟到第三步驟。
第一步驟是齊備具有一平面之物體，該平面具有外露之氫氧基，且該平面上定義有複數區域，以供進行疏水處理。較佳的是，前述物體為諸如二氧化鈦(TiO2 )或鈦酸鋇(BaTiO3 )等玻璃材質所製成之基板。然而利用本發明形成梯度化疏水表面的物體不限於基板，亦不限於片狀物，可以配合需求就不同形狀、形態之物體進行實施，而不致於逸脫本發明之範疇。
此外，令前述平面具有外露之氫氧基之技術屬於周知技術。一種令前述平面具有外露之氫氧基的具體常見技術手段包括有清洗該平面，以及對於該平面進行酸液處理，可藉由蒸餾水、玻璃器皿清潔液、等比例甲醇及濃鹽酸所配製酸性清洗液等，進一步配合超音波震盪進行清洗及酸液處理。屬於周知技術之其他可行手段茲不予贅述。
第二步驟是令前述物體相對於一改質溶液逐步單向移動，使前述物體之平面上之複數區域與前述改質溶液接觸時間連續遞增或遞減，該改質溶液包括有選自由四氯化碳、氯仿、甲醇及甲苯所組成群組之有機溶劑以及溶於該有機溶劑之矽烷。較佳的是，前述改質溶液之矽烷濃度為10-4000 ppmv。
前述所謂令前述物體相對於一改質溶液逐步單向移動者，可以是令前述物體單向地朝向前述改質溶液移動，使前述複數區域逐一被浸入該改質溶液中；亦可以是先令前述物體之複數區域全部被浸於前述改質溶液，再使該物體單向地朝向遠離該改質溶液的方向移動，以讓前述複數區域逐一離開該改質溶液。第三步驟是自改質溶液獲取前述物體，前述物體之平面上供疏水處理之各區域，依序因接觸改質溶液時間長短而具備強弱疏水性，從而前述物體之平面形成為梯度化之疏水表面。
當前述改質溶液之矽烷濃度為400 ppmv時，可以讓接觸改質溶液之區域中之接觸最長的時間，也就是改質溶液的總反應時間，為5-20分鐘。而當前述改質溶液之矽烷濃度為30 ppmv時，可以讓接觸改質溶液之區域之最長接觸時間為1-10分鐘。
以下配合具體實施例說明本發明之實施態樣。應注意的是該等實施例是用以例示本發明之技術特徵而非用以限縮本發明之範疇。
【實施例1】
本實施例有關齊備具有一平面之物體，並使得該平面具有外露之氫氧基，以利於該平面上形成梯度化疏水表面。
請參閱圖1，在本實例所採用之物體為一試片。該試片具有一平面。該平面上依序規劃出9個區域。該9個區域之中，位於最上方之區域被用作為拿取區。拿取區並不參與形成梯度化疏水表面之反應。其餘8個區域將予疏水處理，自上而下分別被識別為A區域至H區域。
在本實施例採用之試片具有既定厚度，其規格為50 mm×24 mm。前述位於最上方之拿取區包括自上端起算10 mm之區域，亦即具有10 mm×24 mm之面積。拿取區以下的40mm則由前述A區域至H區域等8個區域所劃分，各佔5mm而具有5 mm×24 mm之面積。
本實施例採用下列步驟對於前述試片之平面進行清洗及酸液處理，使該平面具有外露之氫氧基。
a、將清洗玻璃儀器專用清潔劑以1：30的比例，加入30倍蒸餾水配製備用。前述清洗玻璃儀器專用清潔劑屬於本發明所屬技術領域中具有通常知識者得以經由一般商業途徑獲得者。
b、取定體積的甲醇後，再置入等體積的濃鹽酸，從而製得一酸性清洗液備用。
c、先將即將盛裝玻璃試片的30mL直筒玻璃杯裝入上述配製好的清潔劑後，以一超音波震盪機震盪10分鐘後，再以蒸餾水潤洗5~6次備用。
d、以鑷子取玻璃試片置於上述洗淨玻璃杯中再填裝玻璃清潔劑，並以超音波震盪機震盪20分鐘，直接倒去清潔劑(不再以鑷子輔助，且可回收清潔劑，作為下次清洗玻璃杯用)再以蒸餾水潤洗5~6次。
e、接著加入步驟b所配置完成的甲醇濃鹽酸酸性清洗液，同樣震盪20分鐘後倒去酸液再以蒸餾水潤洗5~6次。
若批次處理大量之試片，而欲將經過前述清洗及酸液處理之試片進行封存，以備日後再度運用時，可在完成上述清洗步驟後，直接填裝滿蒸餾水並封以蠟膜，即達成封存潔淨試片的目的。
【實施例2】
本實施例有關配製改質溶液。
本實施例採用下列步驟配製改質溶液。
a、清洗器皿；具體而言，係取一可旋蓋密封之血清瓶用清潔劑以超音波震盪機震盪10分鐘，震盪完畢以蒸餾水潤洗乾淨並送至烘箱烘乾備用。
b、取一250mL燒杯與100mL量筒利用有機溶劑潤洗，將適量有機溶劑倒入燒杯中，再以量筒取100mL倒入上述洗淨的血清瓶內。較佳的是，該有機溶劑是氯仿、甲醇或甲苯。
c、以微量吸管精取40 μL的矽烷，快速置入上述血清瓶之有機溶劑中並旋蓋密封，均勻混合後即可完成40 μL矽烷/100mL有機溶劑(400 ppmv)的改質溶液配製。
依照上述方法可藉由所取矽烷量配製出所需濃度之改質溶液。亦即具有30 ppmv矽烷之改質溶液，可取用3 μL矽烷依照上述方法製得，而具有4000 ppmv矽烷之改質溶液，則可取用400 μL矽烷依照上述方法製得。
【實施例3】
本實施例例示一種令前述試片之平面上供疏水處理之H區域浸入前述改質溶液，且令前述試片之平面上供疏水處理之A區域至G區域逐一依序浸入前述改質溶液之具體實施態樣。就本發明而言，控制前述試片浸入前述改質溶液之具體手段，不限採用人工控制或採用機械控制。在本實施例中所例示者係採用可程式機械手臂。
首先將機械手臂程式設定為將試片浸入改質溶液內5mm停留一指定時間後，即再向下浸入5mm，並再停留第二階段的時間，重複操作直到試片向下浸入8次5mm後，將該試片移向前述有機溶劑沾洗6次，即完成試片在改質溶液中8個不同反應時間。
由於任一區域浸入改質溶液時，業經浸入改質溶液之區域仍持續浸於該改質溶液中，因此H區域，亦即最先浸入改質溶液之區域，其浸入改質溶液的時間為A區域至H區域所累加的時間總和。換言之，最先浸入改質溶液之區域之浸入時間即為總反應時間。
以此類推，G區域設定的時間則為A區域至G區域所累加的時間總和，其中F區域設定的時間則為A區域至F區域所累加的時間總和，其餘A區域至E區域亦然。
由於已知技術之機械手臂控制精密度至少達到0.1mm，且令試片向下浸入之方式不會濺起液沫，從而確實能夠改善既有技術之問題。
【實施例4】
本實施例所例示測量疏水性，亦即測量液滴靜觸角之手段，係於前述試片上A區域至H區域滴著液滴，並以靜態接觸角量測儀進行量測。於本實施例及後續各實施例中所採用之靜態接觸角量測儀為GBX，PX610，France。
具體之實施方式是在前述試片上A區域至H區域分別滴著二次水之液滴2.0 μL，接觸角平衡時間取5秒後量測及拍照。
【實施例5】
本實施例例示總反應時間為5、10、15、20分鐘之實施態樣。在本實施例所採用之改質用溶液以甲苯作為有機溶劑，溶有濃度為400 ppmv之矽烷。
如下表1所示，若最先浸入改質溶液之H區域之浸入時間為20分鐘，浸入時間最短的A區域僅浸入改質溶液150秒。前述浸入時間僅150秒之A區域的接觸角已高達103°。由表1可知，藉由400 ppmv矽烷之改質溶液，當試片之A區域之浸入時間分別為112.5秒、75秒以及37.5秒時，此時該A區域的接觸角也分別高達89°、104°以及93°
【實施例6】
本實施例例示總反應時間為1分鐘、8分鐘之實施態樣。在本實施例所採用之改質用溶液以甲苯作為有機溶劑，溶有濃度為30 ppmv之矽烷。
如下表2所示，若總反應時間為8分鐘，且不同區域浸入改質溶液之時間從60秒漸變至480秒，則改質後的各區域之接觸角分佈於76°至96°；若總反應時間為1分鐘而不同區域浸入改質溶液之時間從7.5秒漸變至60秒，則各區域之接觸角分佈於51°至84°；若令總反應時間為1分鐘但不同區域浸入改質溶液之時間從7.5秒漸變至480秒，則各區域之接觸角分佈於51°至96°。
【實施例7】
本實施例例示總反應時間為10分鐘之實施態樣。在本實施例所採用之改質用溶液以甲苯作為有機溶劑，溶有濃度為30 ppmv之矽烷。
如下表3所示，若總反應時間為10分鐘，亦即H區域之浸入時間為10分鐘，試片各區域的接觸角隨浸入改質溶液時間長短不同而分別為36°、59.3°、64.7°、74.3°、80.3°、88.0°、105.3°以及104.0°。這些接觸角的數據顯示出試片已由未受改質之親水性玻璃完全被改質而具備疏水性，這些代表不同疏水程度的接觸角變化曲線圖如圖2所示，證實本發明之方法確實可以形成梯度化疏水表面。
除上述所各實施例所例示之實施態樣以外，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可配合需要進行調整，但仍不會因而逸脫本發明之範疇，特別是有關諸如改質溶液有關有機溶劑及矽烷濃度以及浸入改質溶液的時間等，可以進行選擇或調整而仍為本發明所涵蓋。
舉例而言，即使四氯化碳因其性質在處理時更需注意，但仍可採用在四氯化碳中含有4000 ppmv矽烷的改質溶液，以30分鐘浸入時間來形成梯度化疏水表面。
圖1：本發明實施例中所採用之試片。
圖2：接觸角變化曲線圖。

Claims (10)

  1. 一種梯度化疏水表面形成方法，包括有：(1)　齊備具有一平面之物體，該平面具有外露之氫氧基，且該平面上定義有複數區域；(2)　令前述物體相對於一改質溶液逐步單向移動，使前述物體之平面上之複數區域與前述改質溶液接觸時間連續遞增或遞減，其中，該改質溶液包括有選自由氯仿、甲醇及甲苯所組成群組之有機溶劑以及溶於該有機溶劑之矽烷；以及(3)　獲取前述物體，其中，前述物體之平面上之各區域，依序因接觸改質溶液時間遞增或遞減而具備漸強或漸弱疏水性，從而前述物體之平面形成為梯度化之疏水表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，前述令前述物體相對於一改質溶液逐步單向移動，使前述物體之平面上之複數區域與前述改質溶液接觸時間連續遞增或遞減之步驟包括有：a)　令前述物體朝向該改質溶液逐步單向移動，使前述物體之平面上一區域浸入該改質溶液；以及b)　令前述物體之平面上之其他區域逐一依序浸入前述改質溶液，且任一區域浸入改質溶液時，業經浸入改質溶液之區域仍持續浸於該改質溶液中；自改質溶液獲取前述物體，前述物體之平面上各區域，依序因浸入改質溶液時間長短而具備強弱疏水性，從而前述物體之平面形成為梯度化之疏水表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，前述令前述物體相對於一改質溶液逐步單向移動，使前述物體之平面上之複數區域與前述改質溶液接觸時間連續遞增或遞減之步驟包括有：a)　令前述物體之平面上所有區域浸入前述改質溶液；以及b)　令前述物體朝向遠離該改質溶液之方向逐步單向移動，使前述物體之平面上之區域逐一依序離開前述改質溶液，且任一區域離開改質溶液時，尚未離開改質溶液之區域仍持續浸於該改質溶液中；所獲取之前述物體之平面上各區域，依序因浸於改質溶液時間長短而具備強弱疏水性，從而前述物體之平面形成為梯度化之疏水表面。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，前述改質溶液之矽烷濃度為10-4000 ppmv。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之方法，前述改質溶液之矽烷濃度為10-4000 ppmv。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，前述改質溶液之矽烷濃度為400 ppmv，最先浸入改質溶液之區域之浸入時間為5-20分鐘。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之方法，前述改質溶液之矽烷濃度為30 ppmv，最先浸入改質溶液之區域之浸入時間為1-10分鐘。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之方法，前述改質溶液之矽烷濃度為400 ppmv，最先浸入改質溶液之區域之浸入時間為5-20分鐘。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之方法，前述改質溶液之矽烷濃度為30 ppmv，最先浸入改質溶液之區域之浸入時間為1-10分鐘。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之方法，前述物體為玻璃材質所製成，其中，該玻璃材質係選自二氧化鈦及鈦酸鋇所構成群組者。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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