可转移超疏水薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及超疏水薄膜领域和仿生微纳结构领域，具体地，涉及一种可转移超疏水薄膜及制备方法。

背景技术

水接触角大于150°滚动角小于10°的材料被定义为超疏水材料，这种材料具有良好的自清洁能力和超疏水能力，因而被广泛的应用在日常生活和工业领域中，例如自清洁、防污、抗腐蚀、水油分离及液体分离等方面都可以见到超疏水材料的身影。受自然界中荷叶表面结构、水蜘蛛腿部结构等超疏水表面结构的启发，研究人员开展了大量基于仿生微纳结构的超疏水表面的研究，目前的常用策略是通过使用微纳结构和低表面能的材料对结构表面进行修饰，以达到实现超疏水性能的目的。

目前常用的超疏水材料的制备方法包括溶液法、溶胶-凝胶法、等离子体处理工艺、静电纺丝法、逐层自组装法等，但是大部分制备超疏水材料的方法通常存在工艺条件复杂、成本较高的缺点，且大部分方法制备超疏水表面时需要使用有毒的有机溶剂，不仅易侵蚀基底，而且存在污染环境和危害操作者健康的风险。而且，由于现有超疏水材料的基底粗糙结构比较脆弱，容易受到外力破坏，现有超疏水材料往往还存在着难以转移、难以应用的问题，超疏水材料的商业化应用也因此受到阻碍。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种可转移超疏水薄膜及制备方法，用于至少部分解决上述技术问题之一。

(二)技术方案

本发明一方面提供一种可转移超疏水薄膜的制备方法，包括：制备聚二甲基硅氧烷微米薄膜，聚二甲基硅氧烷微米薄膜表面具有柱状阵列；通过在聚二甲基硅氧烷微米薄膜柱状阵列的表面、侧壁及底部沉积含氟纳米聚合物，形成可转移超疏水薄膜。

可选地，将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂的混合物旋涂于模具表面，加热固化后形成聚二甲基硅氧烷微米薄膜。

可选地，将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂将以1：1-15：1的重量比进行混合。

可选地，在60～150℃下进行聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂混合物的固化。

可选地，在腔体中通过热丝加热诱导引发剂裂解，使反应单体聚合成所述含氟纳米聚合物，沉积在聚二甲基硅氧烷微米薄膜表面。

可选地，反应单体与引发剂的流量比为10：1～1：10，单体与引发剂流量为0.1～10sccm。

可选地，热丝的温度为150～300℃，热丝与聚二甲基硅氧烷微米薄膜之间的高度为10～50mm，以控制聚二甲基硅氧烷微米薄膜的温度处于20～50℃的范围内。

本发明另一方面提供了一种可转移超疏水薄膜，包括：表面具有柱状阵列的聚二甲基硅氧烷微米薄膜；含氟纳米聚合物，含氟纳米聚合物分布在聚二甲基硅氧烷微米薄膜柱状阵列的表面、侧壁及底部。

可选地，聚二甲基硅氧烷微米薄膜表面的柱状阵列的直径、间距、高度为1～100μm。

可选地，含氟纳米聚合物的结构尺寸及高度为10nm～1μm。

(三)有益效果

本发明提供的可转移超疏水薄膜及制备方法至少包括以下有益效果：

1、通过加热固化制备出表面具有柱状阵列结构的聚二甲基硅氧烷微米薄膜，聚二甲基硅氧烷微米薄膜作为一种柔性材料不易受到外力破坏，具有较好的韧性，可随意转移。聚二甲基硅氧烷微米薄膜具有良好的粘附性，可以实现与各表面间的紧密贴合，赋予各表面较好的超疏水性和自清洁性。

2、本发明提高的超疏水薄膜制备方法工艺简单、成本低廉、并易于工业化大规模生产，且所获得的薄膜可随意裁剪，可随意转移于形状复杂的基底表面，极大的拓展了超疏水涂层的应用范围。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例中可转移超疏水薄膜制备方法的流程图；

图2示意性示出了本发明实施例中聚二甲基硅氧烷微米薄膜制备方法的流程图；

图3示意性示出了本发明实施例中聚二甲基硅氧烷微米薄膜的结构图；

图4示意性示出了本发明实施例中可转移超疏水薄膜的结构图；

图5示意性示出了本发明实施例中可转移超疏水薄膜在显微镜下的微观结构图；

图6示意性示出了本发明实施例中可转移超疏水薄膜的疏水性能图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明的目的在于提供一种可转移超疏水薄膜及制备方法，实现超疏水薄膜的转移。

下面结合具体实施例并参照附图对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供一种可转移超疏水薄膜的制备方法。

图1示意性示出了本发明实施例中可转移超疏水薄膜制备方法的流程图。

如图1所示，该可转移超疏水薄膜的制备方法例如可以包括操作S100～S200。

操作S100，制备聚二甲基硅氧烷微米薄膜，所述聚二甲基硅氧烷微米薄膜表面具有柱状阵列。

操作S200，通过在所述聚二甲基硅氧烷微米薄膜柱状阵列的表面、侧壁及底部沉积含氟纳米聚合物，形成可转移超疏水薄膜。

如图2所示，操作S100的具体制备过程例如可以包括操作S110～S130。

操作S110，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物与固化剂按一定比例充分搅拌混合，得到PDMS混合物。

用于固化的预聚物可以选用有机硅，例如聚二甲基硅氧烷、甲基硅橡胶、乙烯基硅烷等，以及环氧树脂、ABS树脂等可塑性树脂，固化剂可以选用聚酰胺类、脂肪族胺类、咪唑类以及酸酐类等材料中任一种或多种的混合。本实施例中将聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂以1：1～15：1的重量比进行混合。

操作S120，将PDMS混合物放入真空干燥箱中进行抽真空处理。

抽真空处理可以有效去除混合物中混入的空气气泡，以防气泡对后续操作产生干扰，本实施例中真空处理的时间为1～20min。

操作S130，将真空处理后的PDMS混合物旋涂在预先准备的模具上，并进行加热固化，得到表面具有柱状阵列结构的PDMS薄膜，PDMS薄膜的结构如图3所示。

本实施例中采用的旋涂转速为500～2000r/min，旋涂时间为10～60s，加热固化的温度为60～150℃，时间为1～5h。

将得到的PDMS薄膜从模具上剥离，进行操作S200，操作S200的具体操作过程如下。

将PDMS薄膜放入抽至真空的反应腔室中，通过控制通入腔室的反应单体与引发剂的流量，反应过程中腔室热丝的温度和高度，进行引发式化学气相沉积反应，使引发剂在热丝作用下裂解成自由基，反应单体聚合形成含氟纳米聚合物，沉积在PDMS薄膜柱状阵列的表面、侧壁及底部，形成可转移超疏水薄膜。

反应单体例如可以为含氟的丙烯酸酯类，包括1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯、1H,1H,2H,2H-全氟辛醇丙烯酸酯和1H,1H,2H,2H-全氟辛基甲基丙烯酸酯等中的一种或几种，引发剂例如可以为过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化二异丙苯、叔丁基过氧化氢、二叔丁基过氧化物、过氧化二碳酸二异丙酯以及全氟丁基磺酰氟、全氟辛基磺酰氟中的一种或几种。

反应单体与引发剂的流量可以为0.1～10sccm，二者的流量比可以为10：1～1：10。腔室中热丝的温度可以为150～300℃，热丝与PDMS薄膜之间的距离可以为10～50mm，以将PDMS薄膜的温度控制在20～50℃的范围内。

本发明实施例提供的可转移超疏水薄膜制备方法，通过旋涂PDMS控制膜厚，最低可实现60μm厚度的超薄超疏水薄膜的完整剥离，不仅制备工艺简单、成本低廉、易于工业化大规模生产，而且通过制备方法获得的超疏水薄膜可以随意剪裁，具有较好的粘附性，可以紧密贴合在其它物体的表面，能广泛应用于玻璃窗户、太阳能电池板、风力发电机、输水输油管路、光学设备、电子产品等领域，具有十分广阔的应用前景。

本申请实施例提供的可转移超疏水薄膜的制备方法中，还包括模具的制备。该模具的制备方法包括：通过甩胶工艺在清洗好的衬底上旋涂SU-8负胶，而后对负胶进行前烘、曝光、后烘、显影、坚膜操作，获得用于制备PDMS薄膜的模具，该模具包括直径、间距、深度为1～100μm的柱状阵列，可重复多次使用。

其中，SU-8负胶可以为SU-8 2025、SU-8 2035、SU-8 2050、SU-8 2075中任一种或多种的混合，负胶厚度可以根据实际情况自行选择，本申请在此不做限定。前烘的条件可以为65℃下0～7min或95℃下5～45min，根据胶厚而定。待负胶冷却至室温后，将其置于掩模版下进行曝光，曝光方式为接触式，曝光剂量为150～350mJ/cm

通过本发明实施例提供的可转移超疏水薄膜制备方法，可以获得一种可转移超疏水薄膜。

图4示意性示出了本发明实施例中可转移超疏水薄膜的结构图。

如图4所示，该可转移超疏水薄膜的结构包括：表面具有柱状阵列的PDMS薄膜；含氟纳米聚合物，分布在PDMS薄膜柱状阵列的表面、侧壁及底部。其中，柱状阵列的直径、间距、高度为1～100μm，含氟纳米聚合物的结构尺寸及高度为10nm～1μm。

图5示意性示出了本发明实施例中可转移超疏水薄膜在显微镜下的微观结构图。如图5所示，该可转移超疏水薄膜表面包含柱状阵列结构，且在柱状阵列的表面、侧壁及底部密集分布着含氟纳米聚合物。

图6示意性示出了本发明实施例中可转移超疏水薄膜的疏水性能图。

如图6所示，该超疏水薄膜的水接触角～170°，水滚动角小于1°，具有非常优异的超疏水性，将其转移至A4纸上可使A4纸完全不被润湿并表现出较好的透光性。该疏水薄膜可随意裁剪贴合于任何平面、曲面或异构表面，可赋予物体表面防水、防污、防霜、防冰、自清洁、抗霉菌、耐酸碱腐蚀等性能，可以广泛应用于电子器件、光学元件、玻璃器材、医疗设备、金属表面等器件，实现自清洁与防污功能。

以上所述的具体实施例，对本发明的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。