激光燒蝕制備超疏水PDMS表面

劉暢　吳厚安

摘 要：自然界中，水滴在荷葉表面自由滾動并且?guī)ё吒街谄浔砻娴幕覊m顆粒。受這種表面自清潔效應(yīng)啟發(fā)，疏水表面以其防水、防污染、防氧化和自清潔等多種功能而備受人們關(guān)注受到研究人員的廣泛關(guān)注。目前，制備超疏水表面滿足的兩個要素：表面結(jié)構(gòu)粗糙和材料具有低表面能的化學(xué)本質(zhì)。基于這個原則制作超疏水表面的方法有很多，但是有的需要苛刻的技術(shù)條件，如高真空、高溫高壓；有些方法加工步驟多，工藝繁瑣且耗時；有些方法只局限于加工平面結(jié)構(gòu)。所以需要簡單快捷高效的制作方法來克服上述缺點。應(yīng)這個需求，采用激光燒蝕聚合物的方法制備超疏水表面。該文介紹了采用常見的PDMS柔性聚合物作為加工材料，進(jìn)行激光燒蝕，通過步進(jìn)電機(jī)控制刻蝕速度和間隔，實現(xiàn)粗糙度的調(diào)節(jié)，從而得到柔性疏水結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：激光燒蝕 超疏水 PDMS表面 制備

中圖分類號：O647 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0115-02

超疏水結(jié)構(gòu)技術(shù)會廣泛的應(yīng)用到人們的日常生產(chǎn)生活中。防水防腐蝕功能的衣服可以應(yīng)用到野外探險；超強(qiáng)浮力的超疏水救生衣，讓你可以攜帶更多工具而浮在水面上；摩天大樓的玻璃外墻也不用人為的清洗就能自己保持干凈；減阻的超疏水材料使船舶的速度大大提高[1]。文章采用激光燒蝕制備超疏水PDMS表面，有實驗條件容易達(dá)到、工藝步驟簡單易操作以及應(yīng)用廣泛等多方面的優(yōu)點。

激光燒蝕制備超超疏水PDMS表面工藝步驟分為PDMS溶液的配置和樣片激光燒蝕兩個步驟，原理簡單，容易操作。由于PDMS材料本身的生物相容特性，所以利用激光燒蝕制備出的超疏水PDMS表面不僅可以應(yīng)用生產(chǎn)生活中，而且可以用于人體內(nèi)各種特殊的手術(shù)，如心臟起搏器的外表薄膜和人造骨骼的外表面膜等。

1 激光燒蝕的基本原理

激光燒蝕利用激光具有高能量和高聚光性的特點[2]。通常情況下，這一技術(shù)的應(yīng)用多是集中在制作宏觀結(jié)構(gòu)。我們利用其高能量特性將表面粗糙化。

由在激光輻照下，被接觸物質(zhì)在其高能量特性所帶來的巨大熱量和沖擊力作用下，瞬間氣化或迸濺[3]。在作用范圍，形成蝕坑，而噴濺出來的微顆粒又會在作用區(qū)的邊緣沉降。這樣在作用區(qū)形成的創(chuàng)斑，會呈現(xiàn)出微觀尺度上的多孔結(jié)構(gòu)。經(jīng)過激光燒蝕處理后，樣片表面會變得非常粗糙，產(chǎn)生凹凸?fàn)詈蜏喜蹱畹缺砻娼Y(jié)構(gòu)，碳氧原子的數(shù)目比也發(fā)生了很大的變化，從而影響了材料的疏水特性。

實驗中，通過調(diào)節(jié)光能量的調(diào)節(jié)，來調(diào)整燒蝕深度。當(dāng)增加光強(qiáng)和作用時間時，結(jié)構(gòu)粗糙度增加。為了提高結(jié)構(gòu)的微細(xì)程度，應(yīng)選擇將激光束用透鏡聚焦，進(jìn)一步減小激光與基底的接觸面積。聚焦后，光斑的尺寸在2 mm左右，形成微尺度的粗糙結(jié)構(gòu)。

激光器能量達(dá)到燒蝕產(chǎn)生的閾值條件時，將會發(fā)生燒蝕噴射。當(dāng)調(diào)節(jié)入射激光光強(qiáng)I、光斑半徑R等參數(shù)后，燒蝕表面的粗糙度得以調(diào)節(jié)。

2 實驗步驟

該實驗分為實驗前玻璃樣片的制備清洗、PDMS的制備和成膜、步進(jìn)電機(jī)設(shè)置和激光燒蝕以及實驗后數(shù)據(jù)的測量和分析。

（1）基片切割。將長方形的載玻片用玻璃刀切割成正方形，為后續(xù)勻膠過程做準(zhǔn)備。選用對稱形狀，以利于旋涂均勻。

（2）基底清洗。①丙酮溶液清洗樣片，去除有機(jī)雜質(zhì)。②無水乙醇溶液清洗樣片，去除上一步殘留丙酮溶液。③去離子水沖洗去除上一步殘留乙醇分子。

（3）PDMS溶液配制。用液態(tài)聚合物和固化劑按照質(zhì)量比是10∶1的比例混合，由于聚合物粘稠，混合時間在15 min以上。用離心機(jī)在5 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心5 min除去氣泡，以避免后續(xù)成膜不均。

（4）成膜。調(diào)整勻膠機(jī)的前轉(zhuǎn)500 r/min，勻膠10 s，低速旋轉(zhuǎn)使膠鋪開。轉(zhuǎn)速2 500 r/min，勻膠30 s，高速旋轉(zhuǎn)使膠均勻平鋪。

（5）固化。成膜后放入培養(yǎng)皿中的玻璃樣片放在溫度65℃的烘箱中烘烤，2～3 h為宜。

（6）調(diào)節(jié)光路。實驗開始前，調(diào)整光屏位置在透鏡焦點處。保持光水平走向，通過透鏡的中心，達(dá)到最好的聚焦效果。

（7）激光燒蝕。樣片固定在接收屏上，通過步進(jìn)電機(jī)控制接受屏的上下左右移動情況。電腦控制步進(jìn)電機(jī)的掃描速度、掃描間隔等。同時控制激光器的光強(qiáng)，調(diào)控加工參數(shù)。

（8）性能測試。通過測量激光燒蝕所得的PDMS表面疏水效果，包括靜態(tài)特性（接觸角）和動態(tài)特性（滾動角）的大小，測得多組數(shù)據(jù)用于分析。

3 結(jié)果分析與討論

首式中：、以及分別代表固一氣、液一氣、固一液界面表面張力，θ為平衡接觸角。如圖1所示。

當(dāng)接觸角大于90°時我們稱之為疏水材料，當(dāng)接觸角大于150°時，稱之為超疏水材料[5]。由于制備的結(jié)構(gòu)表面疏水性能太優(yōu)良，水滴很難再獨立站立在結(jié)構(gòu)表面上，水滴剛一低落在上面便滾動走了，只能選取水滴從針頭中擠出但是沒脫離針頭的情況下進(jìn)行接觸角測量。針頭對水滴不施加壓力時左接觸角154.68°，右接觸角158.83°，取平均值得接觸角為156.76°，當(dāng)針頭對材料表面的水滴施加輕微壓力時，接觸角測得左接觸角為153.07°，右接觸角為153.91°，取平均值接觸角為153.49°。即使在額外施加壓力的情況下，水滴有稍微變成橢圓形，但是與平面的接觸面積仍然很小，為了平衡外力和表面張力，水滴選擇橫向拓展。水滴在氣膜的阻隔下，即使在外力作用下仍然很難進(jìn)入到結(jié)構(gòu)底部。通過激光燒蝕制備的超疏水PDMS表面，小針對水滴不施加壓力的接觸角為156.76°，小針對水滴施加輕微壓力時，接觸角為153.49°，均大于150°滿足超疏水表面條件，說明該材料有著非常優(yōu)秀的疏水特性。

滾動角的定義為水滴滾落平面時，平面的臨界傾斜角。滾動角越小，水滴越容易從材料表面滾動，材料疏水特性越好。水滴從針頭中擠出后，剛接觸到結(jié)構(gòu)表面，便滾走。從圖中可以看出來，平面未做任何傾斜，只保持平整的姿態(tài)放在測試臺上。從圖中可以看出，不論是對于小體積水滴和大體積水滴，平面都表現(xiàn)出很小的滾動角，在2°以內(nèi)，以至于水滴剛一滴落便滾動走。可見，水滴與表面的粘附力微小，使水滴瞬間滾落，即表現(xiàn)出非常優(yōu)秀的疏水特性。當(dāng)水滴在針頭上懸掛未脫離針頭時，緩慢降低針頭是水滴與平面接觸后，再提起針頭時，水滴能夠完好無損地脫離結(jié)構(gòu)表面。表現(xiàn)出很小的粘附力。即使是當(dāng)增大水滴體積的時候，在重力作用下，水滴仍然能夠從平面上完好地脫離。

4 結(jié)語

現(xiàn)現(xiàn)階段制備超疏水表面材料的方法雖然有很多，但不同的制備方法在實驗條件、操作步驟、應(yīng)用廣泛性方面等有著不同的局限性。筆者選用的利用激光燒蝕制備超疏水PDMS表面材料具備了以下幾個方面的優(yōu)勢：樣品疏水效果好，接觸角大，滾動角小；實驗條件容易達(dá)到，常溫、空氣中，不需要高溫高壓等條件；操作步驟簡單，激光燒蝕加工對軟件控制的執(zhí)行率高，獲得的加工結(jié)構(gòu)與理論設(shè)計幾乎完全吻合。

不斷調(diào)整和改進(jìn)實驗過程中的參數(shù)控制，然后對得到的樣片進(jìn)行靜態(tài)特性的測量和動態(tài)特性的觀察：得到最大接觸角為156.76°>150°，滿足超疏水要求；給停留在PDMS表面的水滴很小的應(yīng)力，水滴立刻滾出材料表面，說明樣片的滾動角很小；說明通過激光燒蝕制備的PDMS表面具有良好的超疏水特性。

參考文獻(xiàn)

[1] 江雷.從自然到仿生的超疏水納米界面材料[J].化工進(jìn)展，2003，22（12）：1258-1264.

[2] Reg Y，Kageler C，Schmidt M.Experimental studies on effects at micro-structureing of highly reflecting metals using nano-and picosecond-laser[J].Physics Procedia，2010（5）：245-253.

[3] Sinko J，Gregory D A.Vaporization-driven impulse generation for laser propulsion[C]//AIAA，2007：2007-5601.