亲水性膜、其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种能够使液体在单一方向上定向地迅速扩散的亲水性膜，所述亲水性膜包括：基板，所述基板具有平行的凹凸结构；和亲水性涂层，所述亲水性涂层包括二氧化硅涂层。本发明还提供一种制备亲水性膜的方法，所述方法包括：配制二氧化硅水性分散液，其中二氧化硅的平均粒度为1至60nm，二氧化硅浓度为0.05重量％至15重量％；将所述二氧化硅水性分散液涂布到基板上，所述基板具有平行的凹凸结构；和将涂布有二氧化硅水性分散液的基板进行干燥。
【专利说明】亲水性膜、其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种亲水性膜，特别涉及一种使液体定向扩散的亲水性膜，本发明还涉及所述亲水性膜的制备方法和所述亲水性膜的应用。
【背景技术】
[0002]亲水性膜在多个领域中具有应用。使用亲水性涂层对基底膜进行亲水性修饰是制备亲水性膜的方法之一。现有技术中已经报道了将纳米二氧化硅涂层涂覆到基底上以提高亲水性，从而改善液体流动速度和防雾性能。但是对已有的亲水性膜而言，不能控制液体在亲水性表面上的扩散方向，因而液体在各个方向上的扩散速度相同。
[0003]对于在某些领域中的应用，需要控制液体在一个方向上定向扩散。例如，在现代医学诊断的领域中，需要使用各种分析试片。这些试片被用于测试血液和尿液中的葡萄糖、胆固醇、蛋白质等物质的含量。为了监测糖尿病患者的血糖水平，每天都需要使用血糖仪和试片进行数次测量。由于在现有试片上的液体流动没有方向性，在测量中采集的血液有相当一部分没有被利用。为了提高血液的利用率，减少每次测量中的血液用量，希望使血液在试片上快速地定向流动。
[0004]因此，需要开发一种能使液体快速地定向扩散的亲水性膜。
【发明内容】
[0005]本申请的目的是提供一种亲水性膜及其制备方法。
[0006]根据本发明的一个方面，提供一种能够使液体在单一方向上定向地迅速扩散的亲水性膜，所述亲水性膜包括:
[0007]基板，所述基板具有平行的凹凸结构；和
[0008]亲水性涂层，所述亲水性涂层包括二氧化硅涂层。
[0009]根据本发明的另一方面，提供一种制备亲水性膜的方法，所述方法包括:
[0010]配制二氧化硅水性分散液，其中二氧化硅的平均粒度为I至60nm，二氧化硅浓度为0.05重量％至15重量％ ；
[0011]将所述二氧化硅水性分散液涂布到基板上，所述基板具有平行的凹凸结构，和
[0012]将涂布有二氧化硅水性分散液的基板进行干燥。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1 (A)是现有技术中平面PET膜的横截面示意图和亲水性处理前后的液体扩散效果示意图，图1(B)是本发明亲水性膜的一个实施例的横截面示意图和亲水性处理前后的液体扩散效果示意图。
[0014]图2(A)_(C)分别为本发明一个比较例和两个实施例的液体扩散测试结果。
[0015]图3为本发明一个实施例的液体扩散测试结果。
[0016]图4左侧及右侧分别为本发明一个比较例和一个实施例的液体扩散测试结果。[0017]图5(A)_(G)是本发明实施例的亲水性膜的牢固力测试结果。
[0018]图6是未经亲水改性的BEF膜(A)和本发明一个实施例中的具有纳米二氧化硅粒子涂层的BEF膜⑶的SEM照片。
[0019]图7为一个实施例的液体扩散测试结果。
【具体实施方式】
[0020]根据本发明的一个方面，提供一种能够使液体在单一方向上定向地迅速扩散的亲水性膜，所述亲水性膜包括:
[0021]基板，所述基板具有平行的凹凸结构；和
[0022]亲水性涂层，所述亲水性涂层包括二氧化硅涂层。
[0023]本发明中的基板材料没有特别限制，包括热塑性材料，例如可以选自由聚酯、聚醚、聚酰胺、聚烯烃、聚丙烯酸和玻璃组成的组。其具体实例包括:聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)或聚丙烯酸(PAA)。本发明的基板可以为由上述材料所构成的单层结构或双层结构，在此所述的基板为单层结构是指由单一材料所制成的基板，而基板为双层结构则是指由一种材料为底材，并于所述底材上形成另一种材料的层。
[0024]举例而言，本发明中可以采用的基板的一个实例是3M公司生产的增亮片(Brightness Enhance Film，BEF) AEF可为双层结构，即以PET材料为底材并于其表面上涂覆PAA材料，通过微复制技术压花再经固化，使PAA材料形成微型的重复棱柱结构，以利用重复棱柱结构提供平行的规则凹凸结构，在其一个实例中，BEF基板的凹凸结构的尺寸为，在两个相邻棱柱结构顶端之间的距离Dl约为50 u m,而棱柱顶端至棱柱底部之间的距离D2为25pm(如图1(B)所示)。但应可理解，本发明的基板凹凸结构的尺寸和形态实质上没有限制，例如于另一些例子中，基板可选用其他具有微米级凹凸结构者，例如，其平行凹凸结构中相邻的最高点或最低点的距离可在I U m至500 ii m的范围内，在2 y m至300 y m的范围内，在5iim至150iim的范围内，而平行凹凸结构中相邻的最高点或最低点的深度可在
0.5 ii m至250 iim的范围内，在liim至150iim,在2.5iim至75iim的范围内的微棱镜结构，或平行凹凸结构中相邻的最高点或最低点的间距Dl为62iim、50iim、24iim或而深度02可为3111111、2511111、1211111或8.511111的不同形式的BEF基板。由此可见，基板上的平行凹凸结构的尺寸并无特别限定，而平行凹凸结构中的深度可为平行凹凸结构中相邻的最高点或最低点的间距的约一半，但不以此为限。此外，基板的凹凸结构亦可为方形结构或圆形结构等，当然，基板材料不限于使用BEF，举例而言，基板可为以玻璃为底材并于玻璃上以热塑性材料形成凹凸结构，或以两种热塑性材料相互搭配而成，基板亦不限于双层结构，换言之，基板可为单层结构，亦即以单一材料通过如微复制技术或铣削加工而形成凹凸结构。
[0025]为了使基板具有亲水性，需要进行表面修饰。所述亲水性表面修饰可以例如通过涂布二氧化硅涂层来实现。为了在赋予基板表面亲水性的同时，保持其单一方向上的规则凹凸结构，需要防止由于二氧化硅粒度过大或涂层过厚等而使得基底表面的凹凸结构被覆盖。因此，必须选择具有合适粒度的二氧化硅，并且控制在涂布过程中采用的二氧化硅溶液的浓度，以便在基板表面的凹凸结构上均匀地涂布厚度适宜的二氧化硅涂层。基底在涂布纳米二氧化硅涂层之后变得亲水，并且与平面基板相比，具有更大的表面积，并且当施加液体于涂布二氧化硅涂层的基板时，液体沿内凹的微结构优先在一个方向上流动。[0026]所述亲水性涂层可以通过涂布二氧化硅粒子的水性分散液形成。由于亲水性的特质跟二氧化硅粒子表面的OH官能基的数量成正比，所以较小平均粒度的二氧化硅粒子在同样的体积或重量下，比较大平均粒度的二氧化硅粒子有更多表面积与OH官能基，因此二氧化硅的平均粒度愈小，所形成的亲水性膜亲水效果愈好。现在的技术已可以在实验室以溶胶凝胶法合成平均粒径Inm以下的二氧化硅粒子，而本发明所使用的亲水性二氧化硅涂层的二氧化娃的平均粒度可为I至60nm,优选4至60nm,更优选4至25nm。而该亲水性二氧化硅涂层系通过涂布二氧化硅粒子的水性分散液所形成，在制备本发明亲水性膜的过程中，采用的纳米二氧化硅分散液的浓度可为0.05重量％至15重量％，优选0.5重量％至10重量％，更优选I重量％至10重量％。于本发明中，用以形成二氧化硅涂层的二氧化硅粒子水性分散液，其二氧化硅粒子可选自第一组二氧化硅粒子、第二组二氧化硅粒子和第三组二氧化硅粒子和其组合所构组成的组，其中第一组二氧化硅粒子的平均粒度不大于6nm，第二组二氧化硅粒子的平均粒度大于第一组二氧化硅且平均粒度不大于25nm，第三组二氧化硅粒子的平均粒度大于第二组二氧化硅粒子且平均粒度不大于60nm。
[0027]在制备本发明亲水性膜的过程中，当采用的纳米二氧化硅水性分散液的浓度不大于0.5重量％时，二氧化硅水性分散液中的二氧化硅粒子可选自第一组二氧化硅粒子、第二组二氧化硅粒子、第三组二氧化硅粒子及其组合所构成的组；而当纳米二氧化硅水性分散液的浓度为0.5重量％至10重量％时，二氧化硅水性分散液中的二氧化硅粒子以选自第一组二氧化硅粒子、第二组二氧化硅粒子及其组合所构成的组为佳；当纳米二氧化硅水性分散液的浓度为10重量％至15重量％时，二氧化硅水性分散液中的二氧化硅粒子则以选自第一组二氧化硅粒子为佳。
[0028]图1显示了现有技术(图1 (A))和本发明的亲水性膜(图1 (B))在液体扩散方面的对比。其中现有技术使用平面的化学处理PET膜作为基板，本发明采用3MTM BEF作为基板，从图1上方的横截面示意图中可以看到，本发明的基板具有微型重复棱柱结构。从图1(A)中可以看到，对于现有技术中的PET膜，在亲水处理之前，由于液滴在PET膜上不浸润，因而难以扩散，如图1(A)左侧图所示；在进行亲水处理之后，液滴易于扩散，但在各个方向上的扩散速度相同，因而得到面积扩大的圆形液滴，如图1(A)右侧图所示。从图1(B)中可以看到，对于本发明中采用的BEF基板，在亲水处理之前，由于液滴在膜上不浸润，因而即使存在凹凸结构，液滴也难以扩散，如图1(B)左侧图所示；在进行亲水处理之后，液滴易于扩散，并且由于存在微型重复棱柱结构，使得液滴优先在一个方向上扩散，因而得到显著拉长的液滴，如图1(B)右侧图所示。
[0029]根据本发明的另一方面，提供一种制备亲水性膜的方法，所述方法包括:
[0030]配制二氧化硅水性分散液，其中二氧化硅的粒度为I至60nm，溶液浓度为0.05重
量％至15重量％
[0031]将所述二氧化硅水性分散液涂布到基板上，所述基板具有平行的凹凸结构；和
[0032]将涂布有二氧化硅水溶液的基板进行干燥。
[0033]在本发明制备亲水性膜的方法中，为了提升亲水效果，可选择性地进一步控制二氧化硅涂布溶液的pH值至2-5，更优选2-3，以利用酸化增加二氧化硅涂布溶液所带的羟基(-0H)，从而提升亲水效果。为了提高在涂布过程中在基板上的润湿性能，还可以任选地向纳米二氧化硅涂布溶液中加入一定量的树脂作为粘合剂。所述树脂的实例包括:丙烯酸树脂或聚氨酯树脂，树脂的用量没有特别限定，只要能够起到所需的粘合效果即可，一般低于20重量％皆可，例如为0.1-20重量％，优选1-12重量％，更优选1-6重量％。
[0034]二氧化硅涂布水溶液还可以任选含有其它成分，例如表面活性剂，以增加二氧化硅水溶液的涂布效果。于某些实施例中，表面活性剂可选用十二烷基磺酸钠(DS-10)或聚乙烯醇(PVA)等阳离子表面活性剂。
[0035]对于用于调节pH的酸没有特别限制，可以为无机酸或有机酸，其实例包括但不限于盐酸、硫酸、甲酸、乙酸，等。
[0036]可以采用本领域中的各种常规涂布方法将纳米二氧化硅分散液涂布于基板上。这样的涂布方法包括但不限于:含浸、网印涂布、刮刀涂布或喷涂等方法。
[0037]在涂布之后，可以采用本领域中的常规方法进行干燥。举例而言，可于85摄氏度下静置15分钟，但干燥的方法并无限制，任何不破坏基板表面涂布的二氧化硅溶液的方法，例如常温自然风干等方法，皆可应用于本发明。
[0038]实施例
[0039]以下参照实施例进一步具体描述本发明，但所述实施例并不限制本发明的范围。
[0040]1.实施例中采用的原料概括如下。
[0041]A.纳米二氧化硅粒子
[0042]ST-XS (粒度:4 至 6nm)，ST-50 (粒度:20 至 25nm)，和 ST-XL (粒度:40 至 60nm)，购自日本尼桑化工有限公司(Nissan Chemical Industries, Ltd., Japan)。
[0043]B.水基树脂:NeoCryIA-1127，购自美国 DSM 公司(DSM Company, USA) ；TEG0Variplus DS50,购自台湾赢创股份有限公司(Evonik Degussa Taiwan Ltd.)。
[0044]C.盐酸(HC1，35% )，购自日本岛久试药株式会社药品。
[0045]D.基板:
[0046]3M?增亮片II NH(BEF2-T-155n)，是PET底材上形成有PAA微型重复棱柱结构的增売片。
[0047]4密耳PET，经PT069处理(晕光化学处理PET)，购自光展应用材料贸易有限公司。
[0048]E.保护性胶带
[0049]3M? Scotch 1T01L,—种聚酯丙烯酸型胶带，具有低粘性且ATS(adhesive tosteel，对钢粘附力)为10?30gf/in。
[0050]F.氢氧化纳(Na0H，45%氢氧化钠溶液)，购自义芳化学工业股份有限公司。
[0051 ] 本发明中pH测量使用pH测量仪(购自梅特勒-托利多(METTLERT0LED0)公司)进行。
[0052]本文中所述浓度均以重量计，除非另有说明。
[0053]I1.亲水性膜制备方法
[0054]1.涂布溶液的制备
[0055]用不同粒度的纳米二氧化硅和去离子水制备不同浓度的纳米二氧化硅分散液。用HCl (35% )将纳米二氧化硅分散液酸化并调节pH值至3.0?2.0。可以选择性地向酸化的纳米二氧化硅分散体中加入1-20重量％的树脂作为粘合剂。
[0056]2.涂布亲水膜
[0057]用绕线式刮棒将I中制备的涂布溶液均匀地涂布在基板上。涂布湿膜厚度约为50.3um,使涂层在空气中于室温干燥，随后将其在85°C进一步干燥15分钟。
[0058]实施例1-17
[0059]表1.涂布溶液组成
[0060]
【权利要求】
1.一种亲水性膜，包括: 基板，所述基板具有平行的凹凸结构；和 亲水性涂层，所述亲水性涂层包括二氧化硅涂层。
2.根据权利要求1所述的亲水性膜，其中所述二氧化硅涂层由平均粒度为I至60nm的二氧化硅粒子形成。
3.根据权利要求2中任一项所述的亲水性膜，其中所述二氧化硅涂层通过涂布所述二氧化硅粒子的水性分散液形成，所述水性分散液的二氧化硅浓度为0.05重量％至15重量％。
4.根据权利要求3所述的亲水性膜，其中所述水性分散液的所述二氧化硅粒子选自第一组二氧化硅粒子，第二组二氧化硅粒子及第三组二氧化硅粒子及其组合所构成的组，其中第一组二氧化硅粒子的平均粒度不大于6nm，第二组二氧化硅粒子的平均粒度大于第一组二氧化硅粒子且不大于25nm，第三组二氧化硅粒子的平均粒度大于第二组二氧化硅粒子且不大于60nm。
5.根据权利要求4所述的亲水性膜，其中当所述水性分散液的二氧化硅浓度不大于0.5重量％时，所述二氧化硅涂层的二氧化硅粒子选自所述第一组二氧化硅粒子、所述第二组二氧化硅粒子，所述第三组二氧化硅粒子及其组合所构成的组。
6.根据权利要求4所述的亲水性膜，其中当所述水性分散液的二氧化硅浓度为0.5重量％至10重量％时，所述二氧化硅涂层的二氧化硅粒子选自所述第一组二氧化硅粒子、所述第二组二氧化硅粒子及其组合所构成的组。
7.根据权利要求4所述的亲水性膜，其中当所述水性分散液的二氧化硅浓度为10重量％至15重量％时，所述二氧化硅涂层的二氧化硅粒子选自所述第一组二氧化硅粒子。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的亲水性膜，其中所述基板的材料选自聚酯、聚醚、聚酰胺、聚烯烃、聚丙烯酸和玻璃组成的组，并且所述基板为由所述材料构成的单层结构或双层结构。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的亲水性膜，其中平行凹凸结构中的深度为平行凹凸结构中相邻的最闻点或最低点的间距的一半。
10.一种用于制备亲水性膜的方法，所述方法包括: 配制二氧化硅水性分散液，其中二氧化硅的平均粒度为I至60nm，二氧化硅浓度为0.05重量％至15重量％ ； 将所述二氧化硅水性分散液涂布到基板上，所述基板具有平行的凹凸结构；和 将涂布有二氧化硅水性分散液的基板进行干燥。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括用酸将二氧化硅水性分散液的pH调至2-5。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述二氧化硅水性分散液中还包含树脂。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述树脂的浓度为0.1-20重量％。
14.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述二氧化硅涂布水溶液中还包含表面活性剂。
15.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述基板的材料选自聚酯、聚醚、聚酰胺、聚烯烃、聚丙烯酸和玻璃组成的组，并且所述基板为由所述材料构成的单层结构或双层结构。
16.一种根据权 利要求1-9中任一项所述的亲水性膜的用途，其用于一种测试流体的试片。
【文档编号】B32B27/06GK103660404SQ201210362882
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月24日 优先权日:2012年9月24日
【发明者】陈德伟, 洪凰钦, 景乃勇 申请人:3M创新有限公司