专利名称：具有双微观结构的超疏水表面及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超疏水表面及其制作方法。
背景技术：
近年来，世界各国对微机电系统(MEMS)给予了极大的热情与关注，它正在成为新崛起的大规模的产业，成为国民经济新的增长点，并对国防科技的发展产生重大影响。但随着器件和系统的微型化，其特征尺度减小，表面积(L2)和体积(L3)之比值也相对增大，表面效应增强，在宏观尺度中被忽略了的表面力此时将起主导作用，由此产生表面摩擦、磨损、粘附和压力损失等一系列问题，使得MEMS器件的制作和应用受到了极大的困扰。
德国生物学家W.Barthlott等人用扫描电子显微镜观察，发现荷花的花瓣表面并不光滑，存在着纳米和微米级的双微观结构，即乳突形成的表面微米结构和蜡晶体形成的纳米结构，乳突的直径为5～15μm，蜡晶体特征尺度为20nm～500nm，荷花效应的秘密就在于其表面独特的双微观结构。纳米结构大大提高了荷叶表面与其他物体表面的接触角，微米结构的排列影响其他物体在其表面的运动趋势，纳米结构与微米结构结合有效地降低其他物体在其表面的滚动角。这种独特阶层结构荷叶的超疏水表面，减小了与水珠和脏物颗粒表面的接触面积，使脏物颗粒不容易粘附在荷叶表面，而是被水珠吸附卷走，从而滚出叶面。
目前，人们已经进行了一些有益的尝试，通过合理构建表面单微观结构形态以克服表面效应及其导致的问题。例如，日本筑波大学机械工程实验室Yasuhisa Ando在其论文Yasuhisa ANDO，Jiro InoFriction andPull-off Force on Silicon Surface Modified by FIB，Sensors andActuators，Vol.57 No.2(1996)，p.83-89中提到，采用集中离子束(FIB)铣出微型沟槽或淀积铂微型凸起在硅表面制造周期性的粗糙形貌，该研究认为微沟槽和微凸起对减小硅表面之间的粘附力与摩擦力具有一定的效果。随着微凸起高度的增大，粘附力与摩擦力均减小。但是使用该方法仅得到微米结构，而没有得到纳米结构，不能充分改善微器件摩擦特性；而且效率低下，无法实现批量化生产。
法国V.Studer在其论文V.Studer，A.Pe pin，andY.Chena.Nanoembossing of thermoplastic polymers for microfluidicapplications Appl.Phys.Lett.80，3614(2002)中提到，在热塑性塑料上进行纳米压印，然后用热键合的方法制得表面具有高密度的柱状阵列(直径为150nm，高度为200nm，间距为300nm)的微流通道，实验表明该通道具有良好的流动性能，并可应用于DNA分子的分离实验。但是使用该方法仅得到纳米级阵列，而没有得到微米级阵列，不能充分改善流体在微流通道中的流动性能。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，提出一种具有双微观结构的超疏水表面及其制作方法。该超疏水表面能够克服微尺度下的表面效应导致的表面摩擦、磨损和粘附；降低微流通道的沿程压力损失，增大流体在其中的流动速度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是在聚合物薄膜的表面上，同时存在微米级阵列和纳米级阵列，微米级阵列中微柱的长、宽、高和阵列中各微柱之间的间距为10～100μm，纳米级阵列中纳米柱的高、直径和阵列中各纳米柱之间的间距为10～100nm。
一种制作具有双微观结构的超疏水表面的方法，包括以下步骤
(1)在纯度不低于99.99％的铝片上进行微加工，在铝片上得到微米级阵列，微米级阵列中微柱的长、宽、高和微米级阵列中各微柱之间的间距为10～100μm；(2)在具有微米级阵列的铝片表面，采用阳极氧化法制作出纳米孔阵列，纳米孔阵列中孔深、孔径和阵列中各孔之间的间距为10～100nm；(3)以具有微米级阵列和纳米孔阵列的铝片作为模板，采用纳米压印方法将铝片的双微观结构转移到聚合物薄膜上，经过保温，再降到聚合物的玻璃转化温度以下，降温过程中保持压力；(4)分离铝片和聚合物薄膜，得到具有双微观结构的超疏水表面。
本发明相比现有技术具有以下的优点(1)本发明具有双微观结构的超疏水表面用于微机电系统(MEMS)器件，能够克服微尺度下的表面效应导致的表面摩擦、磨损和粘附。
(2)本发明具有双微观结构的超疏水表面用于微流体器件，能够降低微流通道的沿程压力损失，增大流体在其中的流动速度，从而改善流体在微流体器件中的流动特性。
(3)本发明具有双微观结构的超疏水表面用于宏观领域，如涂料、薄膜、纤维，能够起减小空气阻力的作用。
(4)本发明具有双微观结构的超疏水表面用于宏观领域，能够保持表面的洁净美观，降低人们对于清洁剂的使用，有益于环境保护。
(5)本发明制作具有双微观结构的超疏水表面的方法是以微加工和阳极氧化为基础，成品率较高；以纳米压印作为转移手段，模板可以重复利用，容易进行大规模批量生产，从而大大降低单个产品的成本。
图1为本发明具有双微观结构的超疏水表面一种实施例的俯视图。
图2为图1的主视图。
图3～图6为本发明具有双微观结构的超疏水表面在不同加工阶段的工艺流程图。
图3为铝片经微加工得到微米级阵列的示意图。
图4为图4中铝片经阳极氧化得到多孔氧化铝(Al2O3)纳米孔阵列的示意图。
图5为将铝片上的微米级阵列和纳米孔阵列转移到聚合物薄膜上的示意图。
图6为将铝片和薄膜分离的示意图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
由图1和图2所示，本发明具有双微观结构的超疏水表面的结构为，在聚合物薄膜的表面上，同时存在微米级阵列1和纳米级阵列2，微米级阵列1中微柱的长a、宽b、高c和阵列1中各微柱之间的间距d为10～100μm，纳米级阵列2中纳米柱的高e、直径f和阵列2中各纳米柱之间的间距g为10～100nm。微米级阵列1剖面的形状可为正方形、长方形或菱形等；纳米级阵列2剖面的形状为圆形。
所述聚合物薄膜可以是热固性的聚合物薄膜。
所述热固性的聚合物薄膜可以是聚甲基丙烯酸甲酯、或聚碳酸酯或聚乙烯醇或聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
实施例1一种制作具有双微观结构的超疏水表面的方法，包括以下步骤(1)选择一片纯度为99.999％的铝片，面积为50mm×50mm，厚度为0.5mm，采用通常的激光加工方法，在铝片上得到微米级阵列3，微米级阵列3中微柱的长a、宽b、高c均为10μm，各微柱之间的间距d为10μm，如图3所示；
(2)将具有微米级阵列3的铝片表面作为阳极，镍片作为阴极，采用通常的阳极氧化法制作出多孔氧化铝纳米孔阵列4，纳米孔阵列4中孔深e为10nm、孔径f为10nm，各孔之间的间距g为10nm，阳极氧化的电解液为0.3mol/L的草酸溶液，所加电压为50V，温度为0℃，时间为10h，如图4所示；(3)以具有微米级阵列3和纳米孔阵列4的铝片作为模板，用纳米压印机将铝片的双微观结构转移到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜上，压印的温度为180℃，模板上的压力为1MPa，压印后保温时间为5min，再降温到70℃，降温过程中保持压力，如图5所示；(4)分离铝片和PMMA薄膜，得到具有双微观结构的超疏水PMMA表面，该表面上微米级阵列1中微柱的长a、宽b、高c均为10μm，各微柱之间的间距d为10μm，纳米级阵列2中纳米柱的高e为10nm、直径f为10nm，各纳米柱之间的间距g为10nm，如图6所示。
实施例2一种制作具有双微观结构的超疏水表面的方法，包括以下步骤(1)选择一片纯度为99.99％的铝片，面积为50mm×50mm，厚度为0.5mm，采用通常的离子刻蚀方法，在铝片上得到微米级阵列3，微米级阵列3中微柱的长a、宽b、高c均为50μm，各微柱之间的间距d为60μm；(2)将具有微米级阵列3的铝片表面作为阳极，镍片作为阴极，采用通常的阳极氧化法制作出多孔氧化铝纳米孔阵列4，纳米孔阵列4中孔深e为25nm、孔径f为20nm，各孔之间的间距g为15nm，阳极氧化的电解液为0.5mol/L的草酸溶液，所加电压为40V，温度为2℃，时间为10h；(3)以具有微米级阵列3和纳米孔阵列4的铝片作为模板，用纳米压印机将铝片的双微观结构转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上，压印的温度为常温，模板上的压力为0.5MPa，压印后保温时间为5min，再降温到70℃，降温过程中保持压力；
(4)分离铝片和PDMS薄膜，得到具有双微观结构的超疏水PDMS表面，该表面上微米级阵列1中微柱的长a、宽b、高c均为50μm，各微柱之间的间距d为60μm，纳米级阵列2中纳米柱的高e为25nm、直径f为20nm，各纳米柱之间的间距g为15nm。
实施例3一种制作具有双微观结构的超疏水表面的方法，包括以下步骤(1)选择一片纯度为99.999％的铝片，面积为50mm×50mm，厚度为0.5mm，采用通常的湿法腐蚀方法，在铝片上得到微米级阵列3，微米级阵列3中微柱的长a、宽b、高c均为100μm，各微柱之间的间距d为100μm；(2)将具有微米级阵列3的铝片表面作为阳极，镍片作为阴极，采用通常的阳极氧化法制作出多孔氧化铝纳米孔阵列4，纳米孔阵列4中孔深e为50nm、孔径f为30nm，各孔之间的间距g为40nm，阳极氧化的电解液为0.5mol/L的硫酸溶液，所加电压为30V，温度为4℃，时间为12h；(3)以具有微米级阵列3和纳米孔阵列4的铝片作为模板，用纳米压印机将铝片的双微观结构转移到聚碳酸酯(PC)薄膜上，压印的温度为150℃，模板上的压力为5MPa，压印后保温时间为5min，再降温到70℃，降温过程中保持压力；(4)分离铝片和PC薄膜，得到具有双微观结构的超疏水PC表面，该表面上微米级阵列1中微柱的长a、宽b、高c均为100μm，各微柱之间的间距d为100μm，纳米级阵列2中纳米柱的高e为50nm、直径f为30nm，各纳米柱之间的间距g为40nm。
实施例4一种制作具有双微观结构的超疏水表面的方法，包括以下步骤(1)选择一片纯度为99.999％的铝片，面积为50mm×50mm，厚度为0.5mm，采用通常的离子刻蚀方法，在铝片上得到微米级阵列3，微米级阵列3中微柱的长a为40μm、宽b为30μm、高c为70μm，各微柱之间的间距d为50μm；
(2)将具有微米级阵列3的铝片表面作为阳极，镍片作为阴极，采用通常的阳极氧化法制作出多孔氧化铝纳米孔阵列4，纳米孔阵列4中孔深e为80nm、孔径f为60nm，各孔之间的间距g为70nm，阳极氧化的电解液为0.3mol/L的硫酸溶液，所加电压为50V，温度为1℃，时间为15h；(3)以具有微米级阵列3和纳米孔阵列4的铝片作为模板，用纳米压印机将铝片的双微观结构转移到聚乙烯醇(PVA)薄膜上，压印的温度为120℃，模板上的压力为3MPa，压印后保温时间为5min，再降温到70℃，降温过程中保持压力；(4)分离铝片和PVA薄膜，得到具有双微观结构的超疏水PVA表面，该表面上微米级阵列1中微柱的长a为40μm，宽b为30μm，高c为70μm，各微柱之间的间距d为50μm，纳米级阵列2中纳米柱的高e为80nm、直径f为60nm，各纳米柱之间的间距g为70nm。
实施例5一种制作具有双微观结构的超疏水表面的方法，包括以下步骤(1)选择一片纯度为99.999％的铝片，面积为50mm×50mm，厚度为0.5mm，采用通常的离子刻蚀方法，在铝片上得到微米级阵列3，微米级阵列3中微柱的长a为50μm、宽b为60μm、高c为30μm，各微柱之间的间距d为80μm；(2)将具有微米级阵列3的铝片表面作为阳极，镍片作为阴极，采用通常的阳极氧化法制作出多孔氧化铝纳米孔阵列4，纳米孔阵列4中孔深e为100nm、孔径f为100nm，各孔之间的间距g为100nm，阳极氧化的电解液为0.3mol/L的硫酸溶液，所加电压为35V，温度为3℃，时间为24h；(3)以具有微米级阵列3和纳米孔阵列4的铝片作为模板，用纳米压印机将铝片的双微观结构转移到聚酰亚胺(PI)薄膜上，压印的温度为300℃，模板上的压力为5MPa，压印后保温时间为5min，再降温到70℃，降温过程中保持压力；
(4)分离铝片和PI薄膜，得到具有双微观结构的超疏水PI表面，该表面上微米级阵列1中微柱的长a为50μm，宽b为60μm，高c为30μm，各微柱之间的间距d为80μm，纳米级阵列2中纳米柱的高e为100nm、直径f为100nm，各纳米柱之间的间距g为100nm。
权利要求
1.一种具有双微观结构的超疏水表面，其特征在于在聚合物薄膜的表面上，同时存在微米级阵列和纳米级阵列，微米级阵列中微柱的长、宽、高和阵列中各微柱之间的间距为10～100μm，纳米级阵列中纳米柱的高、直径和阵列中各纳米柱之间的间距为10～100nm。
2.根据权利要求1所述的具有双微观结构的超疏水表面，其特征在于所述聚合物薄膜是热固性的聚合物薄膜。
3.根据权利要求2所述的具有双微观结构的超疏水表面，其特征在于所述热固性的聚合物薄膜是聚甲基丙烯酸甲酯、或聚碳酸酯或聚乙烯醇或聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
4.一种制作权利要求1所述具有双微观结构的超疏水表面的方法，其特征在于包括以下步骤(1)在纯度不低于99.99％的铝片上进行微加工，在铝片上得到微米级阵列，微米级阵列中微柱的长、宽、高和微米级阵列中各微柱之间的间距为10～100μm；(2)在具有微米级阵列的铝片表面，采用阳极氧化法制作出纳米孔阵列，纳米孔阵列中孔深、孔径和阵列中各孔之间的间距为10～100nm；(3)以具有微米级阵列和纳米孔阵列的铝片作为模板，采用纳米压印方法将铝片的双微观结构转移到聚合物薄膜上，经过保温，再降到聚合物的玻璃转化温度以下，降温过程中保持压力；(4)分离铝片和聚合物薄膜，得到具有双微观结构的超疏水表面。
5.根据权利要求4所述的制作具有双微观结构的超疏水表面的方法，其特征在于所述步骤(2)中，阳极氧化在0℃～4℃进行。
6.根据权利要求4所述的制作具有双微观结构的超疏水表面的方法，其特征在于所述步骤(3)中，纳米压印的温度高于聚合物的玻璃转化温度，纳米压印的压力为0.5～5MPa。
7.根据权利要求4所述的制作具有双微观结构的超疏水表面的方法，其特征在于所述步骤(3)中，聚合物薄膜是热固性的聚合物薄膜。
8.根据权利要求7所述的制作具有双微观结构的超疏水表面的方法，其特征在于所述热固性的聚合物薄膜是聚甲基丙烯酸甲酯、或聚碳酸酯或聚乙烯醇或聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
全文摘要
本发明公开了一种具有双微观结构的超疏水表面及其制作方法。超疏水表面的结构为，在聚合物薄膜的表面上同时存在微米级阵列和纳米级阵列，微米级阵列中微柱的长、宽、高和阵列中各微柱之间的间距为10～100μm，纳米级阵列中纳米柱的高、直径和阵列中各纳米柱之间的间距为10～100nm。本发明具有双微观结构的超疏水表面能克服微尺度下的表面效应导致的表面摩擦和粘附；能降低微流通道的沿程压力损失，增大流体的流动速度，改善流体在微流体器件中的流动特性。本发明制作具有双微观结构的超疏水表面的方法是以微加工和阳极氧化为基础，成品率较高；以纳米压印作为转移手段，模板可重复利用，容易进行大规模批量生产，降低了成本。
文档编号B82B3/00GK1760112SQ20051001985
公开日2006年4月19日 申请日期2005年11月22日 优先权日2005年11月22日
发明者张鸿海, 范细秋, 贾可, 马斌, 江小平, 刘胜, 甘志银, 汪学方 申请人:华中科技大学