基于微压印法制备超双疏薄膜的工艺研究

发布时间：2020-03-27 00:14

【摘要】：超双疏表面具有极低的粘附性和极强的自洁净性能,在面对复杂污染环境时比超疏水表面有着更强的适应性。目前诸多研究人员制备超双疏表面的途径都集中在溶胶-凝胶法、相分离法、阳极氧化法等化学或者电化学方法,这些方法由于工艺复杂、成型面积小效率低等缺点而难以在实际生产中推广。微纳热压印法是近年来新兴的一种微纳加工手段,具有成型精度好,效率高,成本低廉,成型面积大的优势,然而目前对微纳热压印制备疏水材料的研究还较少。本文中通过微纳热压印法,辅以低表面能修饰,成功的在PE复合薄膜上构筑出具备超疏水/疏油效果的微结构,并对其成型原理、工艺参数及对复杂环境的耐候性进行了探讨,重点分析了工艺参数对表面形貌乃至疏水效果的影响,为进一步制备超双疏材料提供了有价值的参考。主要工作内容和结果如下:采用微纳热压印方式,使用筛网作为模具在PE复合薄膜的表面制备出了具备超疏水疏油性能的微结构。最终制品对水的接触角为154°,滚动角小至1°,大豆油的接触角达到97°,若使用氟硅烷进行修饰,则大豆油的接触角能进一步上升到140°,热压印时间也在20s以内。通过添加SiO2微球到热压印过程中,在PE复合薄膜的表面制备了一层SiO2微球疏水层,其表面的接触角为153°,滚动角小至1°,经氟硅烷修饰后,样品对油的接触角达到135°,具备了超疏水和疏油的效果。在电镜中发现,SiO2微球并非仅仅分布于材料表面,而是在热压印过程中与PE混合成为均相体系,这样得到的制品兼具了良好的疏水性能和不错的耐候性。通过两种软刻蚀提高聚合物表面接触角的方法,分别是以激光蚀刻得到的微柱结构阵列和普通市售的金相砂纸作为母版。实验中先将PDMS旋涂在微柱结构阵列模板的表面,待其固化后揭下制备出软模板。软模板表面呈现大量不规则的纳米级凹坑。随后采用紫外纳米压印技术,使用紫外胶复制PDMS软模板表面的微结构,再经过低表面能的氟硅烷对其表面进行修饰,成功的提高了紫外胶样品表面的疏水性能。由于多次翻模造成结构的复制精度下降,导致紫外胶样品表面的粗糙度较低,所以其疏水效果距离超疏水的要求还有一定差距。采用金相砂纸作为母版,直接使用PDMS旋涂,固化后发现PDMS样品表面具备了与金相砂纸相似的分形微结构,经过低表面物质修饰后成功达到了超疏水的效果。实验中发现PDMS复制金相砂纸微结构时精度很高,PDMS表面还会形成微米-纳米二级复合结构,大大提高了样品的疏水效果。同时这种工艺仅需要经过一次翻模,简化了操作流程,降低了生产难度和成本。
【图文】：

示意图,示意图,液滴,结构面积

杂了许多气液相，，因此于１９４４年，Ｃａｓｓｉｅ和Ｂａｘｔｅｒ在Ｗｅｎｚｅｌ模型的基础上提出逡逑了邋Ｃａｓｓｉｅ－Ｂａｘｔｅｒ？模型。他们假设液滴下方固体表面的粗糙结构中还残留有空气，逡逑于是形成了一种固－液－气复合界面，如图１－３所示。逡逑图ｌ－３Ｃａｓｓｉｅ－Ｂａｘｔｅｒ模型示意图逡逑Ｆｉｇｌ－３邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｃａｓｓｉｅ－Ｂａｘｔｅｒ邋ｍｏｄｅｌ逡逑对于这种状态下的液体湿润性，他们提出了邋Ｃａｓｓｉｅ－Ｂａｘｔｅｉ？模型：逡逑ｃｏｓ０邋＝邋／？，邋ｃｏｓ０ｏ邋—ｃｏｓ０ｏ邋＋邋１）逦（１－４）逡逑公式１－４中，指液滴下方的气液界面占整个结构面积的百分比。可以看逡逑出，值的增大也会导致液滴接触角的增大，即液滴下方的气液界面越大，越逡逑有利疏液性的提高。逡逑１．１．２超疏水、超双疏材料的概念逡逑３逡逑

照片,二氧化硅薄膜,图像

逡逑图１－４阎良宏小组制备二氧化硅增透膜表面的探针显微镜照片逡逑Ｆｉｇｌ－４邋ｐｒｏｂｅ邋ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ邋ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋Ｓｉ0２邋ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ邋ｃｏａｔｉｎｇｓ邋ｐｒｅｐａｒｅｄ邋ｂｙ逡逑Ｙａｎ’ｓ邋ｇｒｏｕｐ逡逑如图１－５，邋Ｃｌａｕｄｉａ邋Ｍ．Ｇｒｏｚｅａ｜２４］通过在溶胶－凝胶法中加入含氟聚合物制备出逡逑了带有粗糙表面的二氧化硅薄膜，对水的接触角达到１４°，对十六烷的接触角逡逑达到了邋１０８°。逡逑图１－５二氧化硅薄膜的ＳＥＭ图像逡逑Ｆｉｇｌ－５邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｄｉｏｘｉｄｅ邋ｔｈｉｎ邋ｆｉｌｍ逡逑溶胶－凝胶法的优点是技术成熟、效率较高、适合大批量生产，制品的疏水逡逑性能较好，在经过低表面能修饰之后对油类物质也具有不错的效果，缺点是制品逡逑机械强度低，结构不够稳定。逡逑（２）自组装法逡逑自组装方法通过分子间的氢键力或静电力将分子逐层地结合到基底上，形成逡逑组分均匀且具有某种微结构的薄膜。如图１－７，邋Ｈｓｉｅｈ等采用自组装的办法，逡逑将直径为２０ｎｍ和３００邋ｎｍ的两种Ｓｉ０２微球分别旋涂到玻璃基片上
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

【参考文献】