专利名称：一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法
技术领域：
本发明涉及构建微纳结构的方法，具体而言为涉及一种通过表面复制在聚丙烯表 面快速构建微纳结构的方法。
背景技术：
超疏水材料是一类特殊的低表面能材料，其水接触角大于150°，并且水接触角 滞后常小于5°，具有防水、防雾、防雪、防污染、抗粘连、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止 电流传导等特点，在国防、工农业生产和日常生活中有着广泛的应用，通过设计不同结构及 物理、化学特征的表面层，可以使固体材料获得超疏水特性；低的表面自由能和合适的表面 微细结构是固体表面产生超疏水性的两个前提条件，通过采用疏水材料作基体，或使用低 表面能物质对固体表面进行修饰，很容易降低材料表面的自由能，因此超疏水表面制备技 术的关键就在于构建合适的表面微细结构；目前，文献报道的主要超疏水表面制备技术有 机械加工法、微加工法、激光刻蚀法、等离子体刻蚀法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、 电化学方法、溶胶-凝胶方法、聚合物溶液浇注法、静电纺纱法、聚电解质交替沉积法、纳米 管(棒)阵列法、添加颗粒填料的聚合物溶液涂层法、采用多孔材料作基体等。然而，上述这些方法目前还存在着各种问题，主要包括
1)机械稳定性问题。超疏水表面上的粗糙结构通常比较脆弱，容易因加工和使用过程 中的冲击、摩擦等机械作用而受到损坏，因此，制备具有高机械强度的超疏水表面是一项具 有挑战性的课题；
2)老化问题。当超疏水表面持久暴露在外界环境中时，环境中的油性污染物可能粘附 并逐渐填充在表面的粗糙结构中，造成超疏水性的逐渐下降甚至消失，而对这种油性污染 物的清洗将会非常困难，因为清洗过程中的机械作用往往容易导致表面微细结构的破坏。 利用光催化作用将有机污染物分解，可以提高超疏水表面的耐久性；
3)制备成本问题。现有超疏水表面制备技术或所用原料特殊，或加工设备昂贵，或操作 过程复杂而难以控制，因此需要通过制备工艺的优化和简化以及制备方法的创新来降低制 备的成本。因此，迫切需要提出一种环保、高效、复制质量高的表面微纳结构构建方法。
发明内容
针对上述问题，本发明采用价格相对低廉的疏水材料聚丙烯为原料，以实现低成 本制备超疏水材料。本发明的发明原理是一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法，利用聚丙烯在 加热后表面局部熔化，在压力作用下具有良好流动性的特点，采用滚筒形模具滚压，把模具 表面的微纳尺度构造复制到聚丙烯表面，从而实现聚丙烯表面快速构建微纳结构。本发明提出的聚丙烯表面构建微纳结构的方法，其特征在于通过加热装置，使聚 丙烯材料表面温度达到16(T175°C，加热广3s使其表面广6 μ m厚度范围内处于熔化状态，在40(Tl000Pa的压强作用下使处于室温的滚筒形模具，以滚筒面碾压的形式作用在加热 好的聚丙烯表面上，并使聚丙烯表面发生微区塑性变形，然后通过模具的冷却和滚动使模 具与已压制好的聚丙烯表面分离，并在空气中对分离后的模具表面进一步冷却，从而实现 聚丙烯表面快速构建微纳结构。所述的聚丙烯表面，是指聚丙烯膜、聚丙烯块体材料或者聚丙烯棒材的表面。所述加热装置，是通过电阻加热元件加热并采用温度控制系统控制加热温度和速 度的装置，该装置位于滚筒形模具的前方，与被加热表面的垂直距离为广2mm。所述的滚筒形模具，是指采用铝合金或不锈钢制作的筒状模具，筒的表面具有通 过激光加工、微蚀刻方法制作的微纳尺度构造，在滚筒表面还带有连续排气凹槽，保证复制 加工过程中聚丙烯表面的气体顺利排出，所述滚筒形模具的直径为20 35mm。所述加热装置和滚筒形模具，在复制加工过程中以同样的水平移动速度先后从待 加工的聚丙烯表面水平移动，加热装置与滚筒形模具之间的水平间隙为2飞mm ；加热装置 与滚筒形模具的水平移动速度为20 50mm/s，由速度控制系统控制。本发明具有如下优点
1、工艺温度低，操作简便；
2、表面复制效果好，生产成本低；
3、生产过程效率高，易于实现自动化。总之，通过上述方法可以成功在聚丙烯表面快速构建各种微纳结构。
图1构建微纳结构装置示意1聚丙烯材料2加热装置3滚筒形模具4温度控制系统5速度控制系统
图2聚丙烯表面的接触角
(a)复制加工前；(b)复制加工后。
具体实施例方式在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常 理解的含义；下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明，应理解，这些实施例只是为 了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的 各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。实施例1
采用30μπι厚的聚丙烯膜为被加工材料，加热装置与滚筒形模具之间的间隙为2mm，通 过与聚丙烯膜表面距离为Imm的加热装置，使聚丙烯膜表面温度达到160°C，加热Is使其表 面Ιμπι厚度范围内处于熔化状态，在IOOOPa的压强作用下使处于室温的滚筒形模具以滚 筒面碾压聚丙烯膜表面的形式作用在加热好的聚丙烯膜上，使聚丙烯膜表面发生微区塑性 变形，然后通过模具本身的滚动使模具与已压制好的聚丙烯表面分离，并在空气中对分离 后的模具表面进行冷却；直径30mm的滚筒形模具采用激光加工制作出具有微凹坑形的微 纳尺度构造，且滚筒形模具上的微凹坑通过连续的排气槽连接在一起，保证了复制加工过 程中聚丙烯表面气体的顺利排出，加热装置与滚筒形模具的水平移动速度为20mm/s，复制加工后的聚丙烯膜表面与水的接触角为160°，具有良好的超疏水特性，如图2 (b)，明显优 于复制加工前的聚丙烯膜表面(图2 (a))。实施例2
采用8mm厚的聚丙烯板为被加工材料，加热装置与滚筒形模具之间的水平间隙为5mm， 通过与聚丙烯板表面距离为2mm的加热装置，使聚丙烯板表面温度达到175°C，加热3s使其 表面6μπι厚度范围内处于熔化状态，在400Pa的压强作用下使处于室温的滚筒形模具，以 滚筒面碾压聚丙烯板表面的形式作用在加热好的聚丙烯板上，使聚丙烯板表面发生微区塑 性变形，然后通过模具本身的滚动使模具与已压制好的聚丙烯板表面分离，并在空气中对 分离后的模具表面进行冷却，直径20mm的滚筒形模具采用微蚀刻方法制作出具有微凹坑 形的微纳尺度构造，且滚筒形模具上的微凹坑通过连续的排气槽连接在一起，保证了复制 加工过程中聚丙烯表面气体的顺利排出，加热装置与滚筒形模具的水平移动速度为40mm/ s，加工后的聚丙烯板表面与水的接触角为161°，具有良好的超疏水特性。实施例3
采用外径60 mm的聚丙烯棒为被加工材料，加热装置与滚筒形模具之间的间隙为3mm。 通过与聚丙烯棒表面距离为2mm的加热装置，使聚丙烯棒表面温度达到170°C，加热2s使其 表面4μπι厚度范围内处于熔化状态，在SOOPa的压强作用下使处于室温的滚筒形模具，以 滚筒面碾压聚丙烯棒表面的形式作用在加热好的聚丙烯板上，使聚丙烯棒表面发生微区塑 性变形，然后通过模具本身的滚动使模具与已压制好的聚丙烯棒表面分离，并在空气中对 分离后的模具表面进行冷却。直径35mm的滚筒形模具采用激光加工制作出具有微凸柱形 的微纳尺度构造，滚筒形模具上的微凸柱之间的缝隙形成连续的排气槽，保证了复制加工 过程中聚丙烯表面气体的顺利排出，加热装置与滚筒形模具的水平移动速度为50mm/s，加 工后聚丙烯棒表面与水的接触角为159°，具有良好的超疏水特性。
权利要求
1.一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法，其特征在于利用聚丙烯在加热后表面局 部熔化，在压力作用下具有良好流动性的特点，采用滚筒形模具滚压，把模具表面的微纳尺 度构造复制到聚丙烯表面，从而实现聚丙烯表面快速构建微纳结构。
2.如权利要求1所述的一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法，其特征在于通过加 热装置，使聚丙烯材料表面温度达到16(T175°C，加热广3s使其表面广6 μ m厚度范围内 处于熔化状态，在40(Tl000Pa的压强作用下使处于室温的滚筒形模具，以滚筒面碾压的形 式作用在加热好的聚丙烯表面上，并使聚丙烯表面发生微区塑性变形，然后通过模具的冷 却和滚动使模具与已压制好的聚丙烯表面分离，并在空气中对分离后的模具表面进一步冷 却，从而实现聚丙烯表面快速构建微纳结构。
3.如权利要求2所述的一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法，其特征在于所述的 聚丙烯表面是指聚丙烯膜、聚丙烯块体材料或者聚丙烯棒材的表面。
4.如权利要求2所述的一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法，其特征在于所述加 热装置是通过电阻加热元件加热并采用温度控制系统控制加热温度和速度的装置，该装置 位于滚筒形模具的前方，与被加热表面的垂直距离为广2mm。
5.如权利要求2所述的一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法，其特征在于所述的 滚筒形模具是指采用铝合金或不锈钢制作的筒状模具，筒的表面具有通过激光加工、微蚀 刻方法制作的微纳尺度构造，所述滚筒形模具的直径为20 35mm。
6.如权利要求5所述的一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法，其特征在于在所述 的滚筒形模具的滚筒表面开有连续排气凹槽，保证复制加工过程中聚丙烯表面的气体顺利 排出。
7.如权利要求2所述的一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法，其特征在于所述加 热装置和滚筒形模具在复制加工过程中以同样的水平移动速度先后从待加工的聚丙烯表 面水平移动，加热装置与滚筒形模具的水平移动速度为20 50mm/s，由速度控制系统控 制，加热装置与滚筒形模具之间的水平间隙为2 5mm。
全文摘要
本发明涉及构建微纳结构的方法，具体而言为涉及一种通过表面复制在聚丙烯表面快速构建微纳结构的方法，其特征在于利用聚丙烯在加热后表面局部熔化，在压力作用下具有良好流动性的特点，采用滚筒形模具滚压，把模具表面的微纳尺度构造复制到聚丙烯表面，从而实现聚丙烯表面快速构建微纳结构。本发明具有如下优点工艺温度低，操作简便；表面复制效果好，生产成本低；生产过程效率高，易于实现自动化。总之，通过上述方法可以成功在聚丙烯表面快速构建各种微纳结构。
文档编号B29C59/04GK102101358SQ201010547000
公开日2011年6月22日 申请日期2010年11月17日 优先权日2010年11月17日
发明者吉海燕, 焦志达, 赵玉涛, 陈刚 申请人:江苏大学