类荷叶结构聚全氟乙丙烯的超疏水性

类荷叶结构聚全氟乙丙烯的超疏水性类荷叶结构聚全氟乙丙烯的超疏水性 V01.32 高等学校化学 CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES No.5 1l75—1l8O 类荷叶结构聚全氟乙丙烯的超疏水性 刘传生,蒋文曲,管自生 (南京工业大学材料科学与工程学院,南京 210009) 摘要以聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制的荷叶表面微结构为阴模模板,将 聚全氟乙丙烯(FEP)粉体置于该阴 模模板上,在压力约为 0.3N/cm,280℃和一 0.1MPa 真空条件下,热压成 型,制备了具有类荷叶结构的 FEP 表面.扫描电镜观察结果表明,FEP 表面与荷叶表面微结构具有很 大的相似性,该表面具有良好的超疏 水性,与水的接触角达到(1684-1).,滚动角约为2.,而且具有良好的疏酸, 疏碱,疏盐性能和稳定性,即使 在溶液中长期浸泡而失去超疏水性能后,经 Piranha 洗液(体积分数为 70%的浓硫酸和 30%的 H0)处理约 10in,其表面疏水 ,疏酸和疏碱性能可迅速恢复.热重分析结果表 明,PDMS 阴模在热压条件下失重极小, 可重复使用. 关键词聚二甲基硅氧烷;超疏水;类荷叶结构;聚全氟乙丙烯 中图分类号0647文献标识码A文章编号0251-0790(2011)05—1175-06 近年来,超疏水表面的研究引起了广泛关注,已成为表面科学和材料科 学的热点之一.超疏水表 面具有与水的静态接触角大于 150.和滚动角小于 10.的特性¨,这类表 面具有自洁,防污,疏水,抗结 霜及抗氧化等重要功能,因此在建筑物和汽车外表面,电瓷绝缘体的防 污染及微流体技术等多方面具 有广泛的应用前景. 超疏水表面的构建一般通过两种途径来实现:(1)在低表面能的疏水材 料表面构建粗糙结 构 E9 一;(2)用低表面能物质在粗糙结构上进行修饰处理¨”.通常,表面 能越低,表面粗糙结构越 优化,形成的表面疏水性能越优异 H1.HJ.自然界中荷叶的超疏水性及 其表面微结构给人们提供了重要 的启示. Barthlott 等¨通过观察荷叶表面的微观结构,发现”荷叶效应”是由荷叶 表面微米级的乳突结构及 表面蜡质物共同作用所引起的 .江雷研究小组¨的研究发现,荷叶表面 的微米乳突上还存在纳米结 构,这种微纳米尺度复合的梯度结构才是荷叶表面超疏水的根本原因. 因此,荷叶表面优异的超疏水 自清洁性能是在荷叶表面的微观结构与低表面能的蜡质物共同作用 下来实现的.在人工合成材料中, 具有极低表面能的材料主要为氟化物和聚四氟乙烯 (PTFE)等,但 FE 熔点较高且流动性较差,难以 在其表面形成微纳米结构,人们采用等离子技术在一些基底上形成具 有特殊微纳米结构的 PTFE 涂 层¨.聚全氟乙丙烯(FEP)是一种新型的全氟热塑性树脂,它是FE的改性 产品,基本上保留了 frr. FE 的性能,如优异的耐高温性,化学稳定性和电学性,突出的表面不粘 性和较高的机械强度,FEP 比 PrrFE 更加透明,柔软,富有弹性和更稳定的低温性能.与 FE 相比,FEP 的优异之处在于它能用一 般热塑性塑料的加工方法进行加工成型,所以若在 FEP 塑料表面构建 类荷叶结构,将制备出性 能优异的超疏水表面功能材料.但 FEP 熔点高达 280oC,因此难以在常 温常压下制备类荷叶表面微结 构. 近年来,在微电子和微制造领域中广泛应用的纳米/微米复模成型技术 为通过复制荷叶表面 微观结构制备具有超疏水性能的材料提供了一条可行的途径 .聚二甲 基硅氧烷(PDMS)具有耐高温, 柔软,与其它材料不粘连的优点 ,作为软模板材料可以精确复制微图 案.PDMS 软模板很容易从样品 收稿日期:2010-05-25. 基金项目:国家自然科学基金(批准号:20573055,21071081)资助. 联系人简介:管白生,男,博士,教授,主要从事过渡金属氧化物半导体光 电功能材料和仿生材料研究 E-mail:zishengguan@163.con 高等学校化学 Vo1.32 表面剥离,具有良好的化学稳定性和图案稳定性,利用 PDMS 软模板复 制转移荷叶表面微结构是 制备超疏水表面的常用方法之一_28]. 本文以荷叶为模板,用PDMS复制荷叶表面结构,然后在PDMS阴模表 面熔融 FEP 粉体,在真空 条件下,通过热压成型制备出了具有类荷叶结构的FEP 表面.对荷 叶,PDMS 阴模和 FEP 的表面结构 及其对水 ,酸性溶液 ,碱性溶液的润湿性能和稳定性进行了研究,对 PDMS 热稳定性进行了分析.对 于在溶液中长期浸泡而失去超疏水性能的类荷叶FEP 材料,通过 Piranha 洗液处理以恢复其表面超疏 水性能进行了初步研究. 1 实验部分 1.1 试剂与仪器 聚二甲基硅氧烷(PDMS,Sylgrad184),美国 DowComing 公司;聚全氟乙 丙烯(FEP),日本三井化 学公司;荷叶采自玄武湖,新鲜荷叶自然阴干;无水乙醇,国药集团化学 试剂有限公司,分析纯;盐 酸,上海中试化工总公司,分析纯;氢氧化钠,上海凌峰化学试剂有限公 司,分析纯;碳酸钠,上海虹 光化工厂,分析纯. Et 本 JEOL 公司 JSM-6700F 型扫描电子显微镜;日本 Canon 公司$3IS 型数码相机;德国 Netzsch 公 司 STA449C型差热分析仪;德国 Kruss 公司 DSA100 型视频光学接触 角测量仪,于室温下进行测试,水 滴量为2L,测试结果取样品表面5个不同点的平均值;滚动角测试方法 如下:将样品固定于样品台 上,取 8 水滴滴在样品上,从 0.开始倾斜样品台,水滴滚落样品表面时样 品台的倾斜角即为该表面 的水滴滚动角. 1.2 实验过程 PDMS 阴模的制备过程如 Scheme1(A)所示.PDMS 单体和引发剂按质 量比 10:1 混合均匀,浇注到 装有荷叶的模子(5cmx3cmX1cm)中,置于真空 器中除气 30min,然后于 60℃真空烘箱中固化 24 h,脱模,得到与荷叶表面结构互补的 PDMS 阴模. Scheme1(B)是类荷叶 FEP 的制备过程,FEP 粉末 均匀地铺在阴模表面,并覆盖一片盖玻片,在真空 度为一 0.1MPa 时加热到 280oC 至 FEP 粉末完全熔 融,对盖玻片施加约 0.3N/cm 的压力并保持 15S, 冷却至室温,剥离样品与模板得到具有类荷叶结构 的 FEP 表面?Scheme1Replicam.ldingproceSS 在 室 温 下 , 将 制 备 的 类 荷 叶 (A)Thp.dfofabriti.PDMStplat; 酸溶液(pH=1),氢氧化钠溶液(pH=14),医用乙 (B)theproceduresforfabricati.nlotus-1eg-likeFEP 醇(体积分数为75%)和蒸馏水中浸泡96h,研究类荷叶FEP的疏水稳定 性. 2 结果与讨论 2.1 荷叶,PDMS 阴模和类荷叶 FEP 表面的 SEM 分析 图 1 为荷叶表面,PDMS 阴模及类荷叶 FEP 表面的扫描电子显微镜照 片.荷叶表面分布着大量的 微突起[图 1(A)],并且零星分布着尺寸为 30～4