一种光响应型的表面皱纹微结构的可控制备方法与流程

本发明涉及智能表面的制备研究，具体涉及一种光响应型的表面皱纹微结构的可控制备方法。

背景技术：

能够对外界环境刺激产生自动响应的新型智能器件的研究和发展，已成为当今材料科学领域的一大研究热点。其中制备具有特定物理化学性质并能对外加刺激产生响应的智能表面是设计响应性结构的一大途径。智能表面是指一类在外界刺激下(如光、电、磁、热以及各种化学参数)，表面物质的物理、化学状态发生可逆性的变化或者切换的表面。智能表面的研究在多个科学领域，有着极其诱人的应用前景。

表面起皱作为一种为适应体系应力场变化而形成表面微结构的自发过程，近年来引起了研究人员特别浓厚的研究兴趣。褶皱现象的出现被认为是一种应力失稳的表现。充分利用薄膜起皱机制带来的全新启示来积极促进材料表面的皱纹化，并寻求其在材料物性表征、微纳结构构造和柔性器件等方面的潜在应用，是当前表面起皱研究的重点之一。其中，积极探索环境刺激响应型的皱纹微结构在智能表面制备方面的应用作为一个新的研究热点，近几年来越来越受到人们的关注。目前已见报道的多为凝胶体系、温敏性高分子体系等在湿度、温度等外界刺激下的皱纹图案响应行为。在所有刺激类型中，光具有洁净、高效、远程操作(非物理接触)、时间和空间上同时可控等优势。然而对于利用光作为外界刺激进行皱纹微结构的智能调控还少有报道。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明提供一种光响应型的表面皱纹微结构的可控制备方法。本发明选用PDMS弹性体为基底，可光降解高分子为薄膜材料构筑软硬复合体系，利用高分子光降解反应中聚合物链段的断裂，引起膜/基复合系统中应力场的扰动，一方面通过控制光照剂量可以调控皱纹形貌的振幅，另一方面通过加盖光掩膜在邻近边界的非曝光区可以得到沿边界取向的皱纹图案。其中光能具有洁净、高效、远程操作(非物理接触)、时间和空间上同时可控等优势，且光降解反应是一类高分子材料普遍具有的特性，适用范围广泛。采用本发明的方法避免了昂贵仪器的使用以及繁琐复杂的操作步骤，在智能表面制备领域有着广泛的应用前景。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种光响应型的表面皱纹微结构的可控制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将PDMS预聚体和交联剂按质量比为10:1混合后，充分搅拌形成均匀的预聚合物，将上述预聚合物在真空泵中脱气后浇筑到表面皿中，70℃下加热4h进行热交联固化，得到PDMS弹性体；

步骤二、将步骤一得到的PDMS弹性体进行氧等离子体表面活化处理，然后旋涂溶有0.5-5％质量分数可降解高分子的有机溶剂溶液，真空泵中脱气除去残余的有机溶剂，得到软硬复合体系；

步骤三、对步骤二得到的软硬复合体系施加外界应力使其表面产生皱纹形貌，从而得到表面起皱的软硬复合体系；

步骤四、对步骤三得到的表面起皱的软硬复合体系加盖光掩膜进行选择性紫外光照，光照剂量从0-30J cm^-2，从而得到曝光区振幅可调的皱纹形貌，同时在非曝光区得到沿光掩膜边界取向的皱纹形貌。

本发明中，步骤二中可降解高分子是聚丙烯酸甲酯类、聚乳酸和聚氨酯中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明选用PDMS为基底，与旋涂得到的高分子薄膜构成软硬复合体系。对复合体系施加外界应力使其表面产生皱纹形貌，对已有的表面皱纹加盖光掩膜进行紫外光照，通过改变光照剂量等实验参数，可以调控曝光区皱纹形貌的振幅，同时可以在非曝光区得到取向型皱纹。本方法操作简便，洁净高效，提供了一种新型的制备智能响应型高分子表面的方法。

附图说明

图1为本发明实施例1中PDMS/PMMA复合体系经100℃加热1h得到的表面皱纹图案的光镜图；

图2为本发明实施例1中光掩膜1的光镜图；

图3为本发明实施例1中表面起皱的PDMS/PMMA复合体系加盖光掩膜1经9.2J cm^-2紫外光照后得到的光镜图；

图4为本发明实施例2中PDMS/PLLA复合体系经90℃加热1h得到的表面皱纹图案的光镜图；

图5为本发明实施例2中光掩膜2的光镜图；

图6为本发明实施例2中表面起皱的PDMS/PLLA复合体系加盖光掩膜2经26.4J cm^-2紫外光照后得到的光镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明光响应型的表面皱纹微结构的可控制备方法的设计思路是：选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体为基底，可光降解高分子为薄膜材料构筑软硬复合体系，对体系施加外界应力使其表面产生皱纹形貌。然后，对已有的表面皱纹进行选择性紫外光照，利用高分子光降解反应中聚合物链段的断裂，引起膜/基复合系统中应力场的扰动，一方面通过控制光照剂量来调控曝光区皱纹形貌的振幅(正弦状皱纹图案波峰到波谷的距离)，另一方面通过加盖光掩膜在邻近边界的非曝光区可以调控皱纹图案的取向。本方法操作简便，洁净高效，是一种新型的制备智能响应型高分子表面的方法。

实施例1：

一种光响应型的表面皱纹微结构的可控制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将PDMS预聚体和交联剂Sylgard184(购自美国道康宁公司)按质量比为10:1混合，用玻璃棒充分搅拌形成均匀的预聚合物；将上述预聚合物在循环水式多用真空泵中脱气1h后，浇筑到表面皿中；在70℃下加热4h进行固化；获得PDMS软基底；

步骤二、将步骤一得到的PDMS软基底进行氧等离子体表面活化处理，然后旋涂1wt％聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的氯仿溶液(旋涂参数：4000rpm，60s)，真空泵中脱气除去残余的有机溶剂，得到PDMS/PMMA软硬复合体系。

步骤三、将步骤二得到的PDMS/PMMA复合体系在100℃下加热1h，随炉冷却至室温，得到迷宫状的表面皱纹图案，如图1的光镜图所示；

步骤四、对步骤三得到的表面起皱的PDMS/PMMA复合体系加盖光掩膜1(如图2的光镜图所示)进行选择性紫外光照，通过调节紫外光照时间(光照剂量从0-13.2J cm^-2)，可以调控曝光区A的皱纹形貌的振幅(利用原子力显微镜测量)，如表1所示；同时可以在非曝光区B得到沿光掩膜1边界取向的皱纹，如图3的光镜图所示。

表1.实施例1中PDMS/PMMA复合体系皱纹图案振幅与紫外光照剂量的关系

实施例2：

一种光响应型的表面皱纹微结构的可控制备方法，其制备过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：

步骤二中，可降解高分子由PMMA改为聚左旋乳酸(PLLA)，旋涂转速由4000rpm改为5000rpm，得到PDMS/PLLA软硬复合体系；

步骤三中，加热温度由100℃改为90℃，在PDMS/PLLA软硬复合体系表面起皱的皱纹图案如图4的光镜图所示；

步骤四中，加盖的光掩膜由图2所示的光掩膜1改为如图5所示的光掩膜2，光照剂量由0-13.2J cm^-2改为0-19.2J cm^-2，从而调控曝光区A的皱纹形貌的振幅(利用原子力显微镜测量)，如表2所示；同时可以在非曝光区B得到沿光掩膜2边界取向的皱纹，如图6的光镜图所示。

表2.实施例2中PDMS/PLLA复合体系皱纹图案振幅与紫外光照剂量的关系

以上具体实施例仅仅是部分实验，并不是用来限制本发明的实施范围。本领域的相关技术人员依据本发明或不脱离本发明宗旨的情况下，所进行的等效变形和相关修饰，这些都在本发明的保护之内。