专利名称：一种制备超疏油表面的非均匀热压变形法的制作方法
技术领域：
本发明涉及功能表面制备技术领域，特指一种制备超疏油表面的非均匀热压变形 法，其适用于热塑性聚合物超疏油表面的制备，尤其适用于简易条件下的超疏油表面的制备。
背景技术：
超疏油表面是指能够使表面张力较小的液滴(如油液液滴)能够在其表面呈现大 接触角(>130° )的表面。由于能够使油液液滴具有较大的接触角，该表面将超疏水表面的 性能拓展到了油液环境，可实现更加优异的自洁和减阻性能。因此，超疏油表面在近年来得 到了广泛的关注。
表面的超疏油功能实现有赖于表面特殊的微纳结构，为实现超疏油表面微纳结 构参数的设计，我们提出了“一种新型超疏油表面结构设计方法”(国家发明专利，申请 号CN201010132465.4)，根据理论分析，这种结构的表面具有超疏油性能。事实上，以往 关于超疏油表面的文献(Ahuja A, Taylor J A, Lifton V, Sidorenko A A, Salamon T R, Lobaton E J, Kolodner P, Krupenkin T N. Nanonails:A Simple Geometrical Approach to ElectricalIy Tunable Superlyophobic Surfaces. Langmuir2008, 24:9-14.和 Tuteja A, Choi ff, Ma M, Mabry J M, Mazzella S A, Rutledge G C, McKinley G H, Cohen R E. Designing Superoleophobic Surfaces. Science2007, 318:1618-1622.)表明，制备具有 二次凹槽结构(即微纳结构的顶端截面面积大于微纳结构靠近基底I部位处的截面面积， 如附图1所示，微结构2的顶端宽度大于底端宽度)的表面是超疏油功能实现的关键。由于 二次凹槽结构较为复杂，采用模板法制备时不满足脱模规律，如果采用普通的模板法制备 二次凹槽结构表面，则每制备一个表面就需要一个模板，这使得普通的模板法丧失其优势， 所以一般不采用模板法制备具有超疏油性能的二次凹槽结构表面。为了实现这些二次凹槽 结构的精确制备，目前常用的方法是微纳加工方法中的Bosch工艺。该工艺在高真空条件 下，采用等离子体刻蚀待加工表面，在该过程中采用掩模版来控制加工的平面图案。进行初 次刻蚀后，由于等离子体刻蚀具有各向同性刻蚀的特点，所以若仅作一次刻蚀，获取的结构 只能是球冠状结构。采用Bosch工艺后，可在已刻蚀的表面上进行钝化处理，经过钝化处理 后，采用高速等离子体轰击钝化层，此时掩模版的孔部位垂直投影处的钝化层得以去除，而 在侧壁上的钝化层不受影响，残留的钝化层对结构的侧壁起保护作用。在此情况下采用等 离子体进行二次刻蚀即可获取具有二次凹槽结构的表面。虽然采用这种方法能够保证二次 凹槽结构的可控制备，但该方法所需要较昂贵的设备和较严格的真空条件限制了该方法的 推广使用。
为了在一般条件下制备超疏油表面，目前多个课题组采用静电纺丝方法进行了研 究。采用该方法所制备的圆柱状细丝沉积在表面上后可构造出二次凹槽结构，然而，由于细 丝的直径很小，构造的二次凹槽结构深度有限。这种有限深度的二次凹槽结构使表面的超 疏油性能及其稳定性都受到影响。同时，由于细丝排布的规律性差，使得该方法难以实现二次凹槽结构的可控制备。
总之，就目前制备超疏油表面方法来看，采用Bosch工艺需要价格高昂的设备且 制备过程复杂，而静电纺丝方法中，制备二次凹槽结构的可控性差，这在很大程度上影响了 表面的超疏油性能及其稳定性。为实现超疏油表面的制备，本发明提出一种基于聚合物热 变形的非均匀热压变形法。发明内容
本发明的目的是提供一种用于制备超疏油表面的非均匀热压变形法，实现简易条 件下的热塑性材料的超疏油表面的可控制备。
本发明按下述技术方案实现
一种用于制备超疏油表面的非均匀热压变形法，是首先制备出热塑性材料的普 通的微纳结构表面；再将该微纳结构表面压在一高温的光滑平直表面上使微纳结构实现非 均匀热变形，从而实现二次凹槽结构的制备。
上述方法中，所采用的材料是热塑性材料，即在温度较高的情况下材料具有一定 的流动和变形性能的材料。
上述方法中，需要首先制备普通的微纳结构表面，可以通过复制模塑法制备，所制 备的微纳结构是满足脱模规律的结构，呈外截面(靠近微结构的顶端)稍小于或等于内截面 (靠近基底)的形状，同一表面上各微纳结构具有相同的高度，即微纳结构顶端处于通一平 面上；也可以通过激光加工微纳结构的方法来实现，将表面加工成的微柱结构表面。
上述方法中，非均匀热变形是热塑性材料的普通微纳结构表面与高温光滑平直表 面接触时，靠近高温表面的部位的热塑性材料处于温度较高的状态，其流动性和变形性较 好，而远离高温表面的部位的热塑性材料温度较低，流动性和变形性差，当普通微纳结构表 面和高温表面间承受一定压力(10Pa〈P〈5000Pa)时，微纳结构的各个部位变形不同，靠近高 温表面的部位变形成为截面较大的结构，而其他部位的结构基本不变。
上述方法中，高温光滑平直表面的温度决定于所选的热塑性材料的性质，所选的 温度范围为材料熔点上下10° C范围内。
上述方法中，当二次凹槽结构形成后(加压后5 10s)，降低高温表面的温度使热塑 性材料固化，降温速率为广50° C/s，在此过程中缓慢降低普通聚合物结构表面和高温表 面间的压力。
上述方法中，温度降低到室温后，从光滑平直表面上将所制备的二次凹槽结构表 面分离下来，即可获取所需表面。
本发明具有如下技术优势
所需的设备简单，可在简易条件下实现超疏油表面的制备，制备成本低，容易批量 制备。
制备表面的二次凹槽结构的可通过调节施加压力的时间和压力的大小来进行调节。
图1 二次凹槽结构示意图
图2非均匀热压变形法流程
I表面基底，2 二次凹槽结构，3普通微纳结构表面，4高温光滑平直表面，5具有二次凹槽结构的超疏油表面。
具体实施方式
下面结合图2说明本发明提出的具体工艺的实施细节和工作情况。
制备超疏油表面的非均匀热压变形法如附图2所示，主要包括两个步骤制备普通的微纳结构表面；在普通的微纳结构表面上构造出具有二次凹槽结构的表面。
首先需要通过一定的方法将热塑性材料表面加工成普通微纳结构表面3，该表面的制备方法可采用复制模塑法和激光加工方法。采用复制模塑法时首先要制备出与待加工的普通微纳结构表面3在结构上互补的模板，将待加工的热塑性表面压在模板上(施加压力范围为10Pa〈P〈2000Pa)并同时对模板加热，使模板的温度升高至该热塑性材料的熔点， 保持压力和温度一定的时间(Γ10分钟)后，降低模板温度，并将热塑性表面从模板上取下。 采用激光加工方法时，初始的待加工表面为光滑平直的表面，此时将激光光斑聚焦在表面上待去除材料的部位，使该处的材料得以去除，如此将激光光斑在所有的待去除材料的部位行走若干遍，直至所获取的微纳结构满足设计要求。在激光加工中，激光光斑的直径应小于所设计的微纳结构的最小槽宽。
制备好普通微纳结构表面3后，通过非均匀热变形方法即可制备出二次凹槽结构表面。首先对光滑平直表面4进行升温处理，将其温度升高至待加工表面所用的材料的熔点附近10° C。将普通微纳结构表面的微纳结构放置于高温的光滑平直表面4上，通过在微纳结构表面和高温表面间施加压力(10Pa〈P〈5000Pa)的方式使微纳结构发生非均匀变形， 变形后靠近高温光滑平直表面4的部位的微纳结构变宽，而其他部位只发生很小的变化。 保持压力和温度一定时间(加压后5 10s)后，将高温表面4的温度降低直至室温，降温速率为广50° C/s，在此过程中缓慢降低微纳结构表面和高温表面间的压力。
成形完毕后将所制备的微纳结构表面5从光滑平直表面4上取下(脱模)，即可获取具有二次凹槽结构的表面5。已有的分析结果表明(Ahuja A, Taylor J A, Lifton V, Sidorenko A A, Salamon T R, Lobaton E J, Kolodner P, Krupenkin T N. Nanonails:A Simple Geometrical Approach to Electrically Tunable Superlyophobic Surfaces. Langmuir2008, 24:9-14.和 Tuteja A, Choi ff, Ma M, Mabry J M, Mazzella S A, Rutledge G C, McKinley G H, Cohen R E. Designing Superoleophobic Surfaces. Science2007, 318:1618-1622.)，此类表面可实现超疏油性能。
实施例(热塑性聚合物3选用低密度聚乙烯，光滑平直表面4选用光滑Si表面)
采用复制模塑法制备普通的微纳结构表面3，其中模板选用孔阵列模板，孔直径为 30 μ m,孔间距为100 μ m,在模板上呈阵列排布，将低密度聚乙烯平直板材放置于模板上，施加压强500Pa，将模板的温度升高至140° C，保持温度和压强5分钟后降低温度，待温度降至室温后从模板上取下板材即获取所需的热塑性聚合物的普通微纳结构表面。
将一光滑平直的Si片进行升温处理，升温到140° C，保持该温度并将制备好的普通微纳结构表面的微纳结构放置于此高温的Si片上，在Si片和 微纳结构表面间施加压强 50Pa，保持温度和压强5s后对Si片进行降温处理，降温速率为10° C/s，使Si片的温度达室温，同时逐渐降低施加的压强。待温度降至室温且压强降为O后从Si片上取下微纳结构表面，所得到的微结构表面即为具有二次凹槽的微结构表 面，此表面理论上具有超疏油性倉泛。
权利要求
1.一种制备超疏油表面的非均匀热压变形法，其特征在于(1)先制备出热塑性材料的普通微纳结构表面；(2)再将该微纳结构表面压在一高温的光滑平直表面上使微纳结构实现非均匀热变形，从而实现二次凹槽结构的制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，微纳结构表面所采用的材料是热塑性材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述普通微纳结构表面，是通过复制模塑法制备，所制备的微纳结构是满足脱模规律的结构，呈外截面稍小于或等于内截面的形状， 同一表面上各微纳结构具有相同的高度，即微纳结构顶端处于通一平面上；或者是通过激光加工微纳结构的方法制备，将表面加工成的微柱结构表面。
4.根据权利I所述的方法，其特征在于，步骤(2)中的微纳结构表面产生非均匀热变形，当热塑性材料的普通微纳结构表面与高温光滑平直表面接触时，靠近高温表面的部位的热塑性材料处于温度较高的状态，其流动性和变形性较好，而远离高温表面的部位的热塑性聚合物温度较低，流动性和变形性差，当普通微纳结构表面和高温表面间承受10 Pa到 5000 Pa压力时，微纳结构的各个部位变形不同，靠近高温表面的部位变形成为截面较大的结构，而其他部位的结构基本不变。
全文摘要
本发明涉及功能表面制备技术领域，特指一种制备超疏油表面的非均匀热压变形法，其适用于热塑性聚合物超疏油表面的制备，尤其适用于简易条件下的超疏油表面的制备。该方法是先制备出热塑性材料的普通微纳结构表面；再将该微纳结构表面压在一高温的光滑平直表面上使微纳结构实现非均匀热变形，从而实现二次凹槽结构的制备。本发明所需的设备简单，可在简易条件下实现超疏油表面的制备，制备成本低，容易批量制备。
文档编号B81C1/00GK103058128SQ20121056983
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者李健, 金卫凤 申请人:江苏大学