基于氧等离子体改性的空间湿润性梯度表面改性装置及表面改性方法

技术领域

本发明属于聚合物材料表面改性技术领域，涉及一种对被氧等离子体作用的材料表面进行改性的表面改性装置及表面改性方法，尤其涉及一种能够对被作用体表面进行空间湿润性梯度改性的表面改性装置及表面改性方法。

背景技术

通常已知在氧等离子体发生装置内部形成一定真空度后，通入一定流量氧气，在阴极与阳极间的射频电场作用下，氧气原子被电离，进行辉光放电，产生氧等离子体，氧离子直接与样品表面原子反应，或入射离子将样品表面吸附的化学活性分子分解成为自由基，由入射离子产生的自由基在样品表面迁移，改变材料表面的官能团组成，从而实现材料的表面改性。

如上所属的表面改性方法中，利用氧等离子体对被照射的材料表面进行表面改性，通常，整个材料表面都是在氧等离子体环境下进行处理(CN109795003A)，但没有留下润湿性梯度。或者，通过用掩模覆盖部分表面以获得湿润性图案(CN102738339B)，仅在表面实现一个湿润性梯度变化。

由上所述，在利用氧等离子体改性的过程中，难以在被照射的材料表面形成空间湿润性梯度。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种能够以简单的结构来大幅降低制造费、维护管理费等费用，且能够实现在一次氧等离子体的作用下形成被照射聚合物表面的空间湿润性梯度的表面改性装置及表面改性方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于氧等离子体改性的空间湿润性梯度表面改性装置，所述的空间湿润性梯度表面改性装置100包括改性支架1、掩膜夹具2、多个孔隙率不同的通孔掩膜3、改性材料夹具4、改性材料5、支撑板6。

所述的改性支架1为上表面和一短侧面开口的长方体结构，其两个长侧面内壁设有多个距离调节凹槽1A，另一个短侧面为改性支架后端1B。所述掩膜夹具2、改性材料夹具4、支撑板6依次通过距离调节凹槽1A插入改性支架1中，三者都以改性支架后端进行定位；通过距离调节凹槽1A调整掩膜夹具2与改性材料夹具4之间的距离，进而调整腔室与改性材料5之间的相对位置，保证改性材料表面产生空间湿润性梯度。

所述的掩膜夹具2为平板状，具有N个插槽结构和掩膜夹紧机构。通孔掩膜3由插槽结构插入掩膜夹具2中，并由掩膜夹紧机构夹紧。所述掩膜夹具2上插槽结构的位置和数量与其下方待处理的改性材料5的位置和数量对应。每个插槽结构上放置一组通孔掩膜3，通孔掩膜3上开有不同孔隙率的通孔，用于控制氧等离子体的透过量。

所述改性材料夹具4为平板状，在改性材料夹具4上开有N个用于放置改性材料5的凹槽，且凹槽一侧设计有开口，易于放置改性材料。

所述支撑板6由多层相同结构的平板组成，每层平板上开有N组矩形槽，每组矩形槽的最大轮廓与用于放置改性材料5的凹槽一致，且每组矩形槽由多个小矩形槽结构组成，用于后续形成不同的反应腔室，进而用于屏蔽其他方向的氧等离子体扩散，氧等离子体仅透过通孔掩膜3、小矩形槽结构到达改性材料5表面。将支撑板6贴合放置于改性材料夹具4上表面，掩膜夹具2贴合于支撑板6上表面，根据掩膜夹具2与改性材料夹具4之间的距离对支撑板6的数量和厚度进行调节更换，此时，改性材料5上方空间与每个小矩形槽结构、通孔掩膜3之间形成一个反应腔室，且反应腔室的高度可调节，保证氧等离子体发生装置产生的氧自由基与改性材料5充分反应(通过改性支架中的距离调节凹槽1A调节掩膜夹具2与改性材料夹具4的间距，并通过支撑板6的数量厚度调整反应腔室的高度)。

进一步的，所述的一组通孔掩膜3可由一个或多个通孔掩膜3组成，相邻通孔掩膜3之间需紧密接触，通过掩膜夹紧机构夹紧，避免通孔掩膜之间产生缝隙，进而避免漏气。若各通孔掩膜之间存在缝隙，则氧等离子体在透过缝隙后会影响两侧密闭腔室区域的改性效果。

进一步的，所述掩膜夹紧机构由一对螺栓螺母和弹簧组成，弹簧可提供通孔掩膜夹紧力，使所述通孔掩膜紧密接触。具体的：所述的掩膜夹紧机构包括螺栓2A、螺母2B、固定弹簧2C：所述掩膜夹具2中部设有开槽和定位孔，所述螺栓2A、螺母2B、固定弹簧2C通过定位孔定位并装配在开槽中，提供夹紧力；所述掩膜夹具2的c插槽机构两侧设有凸起，为所述通孔掩膜3提供支持力。

进一步的，所述通孔掩膜3上还设有凸起结构，具有定位功能，可避免各通孔掩膜互相干扰。

进一步的，所述掩膜夹具2、改性材料夹具4、支撑板6、改性支架1可以光敏树脂、PMMA、PC等绝缘材料进行加工制成，优选以PMMA、PC作为材质，进行机械加工形成。

进一步的，所述的通孔掩膜3为光敏树脂材料，通过3D打印技术快速成型，也可为PMMA、PC等绝缘材料，优选光敏树脂，其原因在于光敏树脂可通过3D打印成型，易于设计，成型快，精度高，均匀性好，成本低。其选用光敏树脂作为控制氧等离子体透过量的基材，在光敏树脂上开有不同孔隙率的通孔来控制氧等离子体的透过量，通孔掩膜的大小和位置可以根据改性区域的大小及位置进行自由配制。

进一步的，所述通孔掩膜3的孔隙率范围不大于0.5，孔为1cm*1cm的方形孔，通过不同的排列得到不同的孔隙率。孔隙率P的计算方法如下：

其中，S

进一步的，所述掩膜夹具2、改性材料夹具4和支撑板6一侧均设计有把手，以便于操作。

进一步的，所述支撑板6由多层相同结构，高度为2mm的平板组成，可根据所述掩膜夹具与所述改性材料夹具之间的距离进行调节更换，从而形成不同高度的反应腔室。

一种基于氧等离子体改性的空间湿润性梯度表面改性方法，基于空间湿润性梯度表面改性装置实现，包括以下步骤：

首先，在改性前，将改性材料5放置于改性材料夹具4的凹槽上，并组装空间湿润性梯度表面改性装置。

其次，将组装好的表面改性装置放置于氧等离子体发生装置中，孔隙率不同的通孔掩膜用于控制氧等离子体的透过量，在改性材料5表面形成不同氧等离子体浓度的反应腔室。仅通过一次氧等离子体作用，就能够使改性材料表面产生空间湿润性梯度，因此，能够通过对通孔掩膜的大小和位置进行灵活设计，实现改性材料表面的按需改性。

本发明的创新点即原理分析：通常，由氧等离子体发生装置产生的氧等离子体均匀的作用在改性材料上。然而，在本发明表面改性装置中，(1)在氧等离子体发生装置与改性材料之间添加一个可以控制氧等离子体透过量的通孔掩膜；(2)在改性材料表面形成不同氧等离子体浓度的反应腔室；(3)将不同氧等离子体浓度的密闭腔室进行不同的排列组合；通过进行所述(1)(2)(3)，即在氧等离子体发生装置与改性材料之间设置有顶部开有不同孔隙率的密闭腔室，氧等离子体在不同密闭腔室中的浓度不同，在改性材料的表面产生不同程度的作用，可以在被照射改性材料表面不同的区域达到不同的湿润性，从而在材料表面形成空间湿润性梯度。

本发明的有益效果为：

由于本发明的表面改性装置能够以孔隙率不同的通孔掩膜、结构简单的夹具和支架等简单结构，来对改性材料表面进行空间湿润性梯度改性，故而能够大幅减低制造费、维护管理费等费用。

另外，根据本发明，由于可以灵活的控制通孔掩膜的氧等离子体透过率、大小和位置，故而，仅通过一次氧等离子体作用，就可实现改性材料表面进行空间湿润性梯度改性。

附图说明

图1是表示本发明的表面改性装置的实施方式示意图。

图2是表示本发明的通孔掩膜3和掩膜夹具2的关系的示意图。

图3是表示本发明的改性材料5和改性材料夹具4的关系的示意图。

图4是表示本发明的支撑板6的结构示意图。

图5是表示本发明的掩膜夹具2、改性材料夹具4、支撑板6以及改性支架1的关系的示意图。

图6是表示本发明的改性支架1的结构示意图。

图7是表示利用本发明的表面改性装置100的表面处理的流程的流程图。

图8是表示本发明的表面改性处理中氧等离子体作用的示意图。

图中：100表面改性装置；1改性支架；1A距离调节凹槽；1B改性支架后端；2掩膜夹具；2A螺栓；2B螺母；2C固定弹簧；3孔隙率不同的通孔掩膜；4改性材料夹具；5改性材料；6支撑板。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

一种基于氧等离子体改性的空间湿润性梯度表面改性装置：

图1示意性表示本发明的表面改性装置的实施方式。表面改性装置可同时对4片改性材料进行改性，每小时可处理100片，可通过设计改性材料夹具中的凹槽数量来改变一次表面改性处理的改性材料数量。图1中的掩膜夹具2、支撑板6以及改性材料夹具4的位置与实际的表面改性装置的位置不同。实际的表面改性装置中，掩膜夹具2、支撑板6以及改性材料夹具4均以改性支架后端定位。

表面改性装置100包括：孔隙率(0.04、0.07、0.12、0.25、0.36、0.48)不同的通孔掩膜3、掩膜夹具2、支撑板6、改性材料夹具4以及改性支架1。改性材料5经由改性材料夹具4放置于改性支架1上，装有不同通孔掩膜3的掩膜夹具4放置于改性材料夹具4上方，支撑板6的数量依据改性支架1的距离调节凹槽1A而定，放置于掩膜夹具2与改性材料夹具4之间，三者形成密闭腔室，掩膜夹具2、支撑板6以及改性材料夹具4都以改性支架后端定位，可以保证通孔掩膜3与改性芯片5之间的相对位置。

所述的改性支架1为上表面和一短侧面开口的长方体结构，其两个长侧面内壁设有6个距离调节凹槽1A，另一个短侧面为改性支架后端1B。所述掩膜夹具2、支撑板6、改性材料夹具4从上到下依次通过距离调节凹槽1A插入改性支架1中，三者都以改性支架后端进行定位；通过距离调节凹槽1A调整掩膜夹具2与改性材料夹具4之间的距离，进而调整腔室与改性材料5之间的相对位置，保证改性材料表面产生空间湿润性梯度。改性支架1用于调整掩膜夹具2和改性材料5之间的距离，其设计有距离调节凹槽1A，用于掩膜夹具2和改性材料夹具4的定位，保证掩膜夹具2、改性材料5二者的相对位置。

所述的掩膜夹具2为平板状，具有4个插槽结构和掩膜夹紧机构，插槽结构和掩膜夹紧机构的数量可根据改性需要自行增加或减少。通孔掩膜3由插槽结构插入掩膜夹具2中，并由掩膜夹紧机构夹紧。所述掩膜夹具2上插槽结构的位置和数量与其下方待处理的改性材料5的位置和数量对应。每个插槽结构上放置一组通孔掩膜3(每组通孔掩膜3由三块孔隙率不同的通孔掩膜3组成)，通孔掩膜3上开有不同孔隙率的通孔，用于控制氧等离子体的透过量。孔隙率不同的通孔掩膜3放置于改性材料5与氧等离子体发生装置之间，用来控制氧等离子体的透过率，通孔掩膜3的大小和位置可根据改性区域的大小及位置进行自由配置。选择光敏树脂作为通孔掩膜3材料，随着通孔掩膜3孔隙率的增加，氧等离子体透过率逐渐增加，反应腔室内氧等离子体浓度逐渐增加。

在掩膜夹具2后端设计有掩膜夹紧机构，所述掩膜夹紧机构由一对螺栓2A螺母2B和弹簧2C组成，弹簧2C可提供通孔掩膜夹紧力，使通孔掩膜3紧密接触，避免通孔掩膜3之间产生缝隙，产生漏气现象，影响改性结果。图2是表示本发明的通孔掩膜3和掩膜夹具2的关系的示意图。掩膜夹具2放置于改性支架1中的距离调节凹槽1A上，由距离调节凹槽1A的后端1B进行定位，保证掩膜夹具2处于正确的位置。所述通孔掩膜3上还设有凸起结构，具有定位功能，可避免各通孔掩膜互相干扰。

所述改性材料夹具4为平板状，在改性材料夹具4上开有4个用于放置改性材料5的凹槽，且凹槽一侧设计有开口，易于放置改性材料，凹槽的数量可根据改性需要自行增加或减少。改性材料夹具4放置于改性支架1中的距离调节凹槽1A上，由距离调节凹槽1A的后端1B进行定位，保证改性材料夹具4处于正确的位置。

图3是表示本发明的改性材料5和改性材料夹具4的关系的示意图。

图4所示的支撑板6为平板状，支撑板上开有矩形槽，矩形槽大小与改性材料一致，掩膜夹具2、改性材料夹具4和支撑横梁6在改性材料5上方形成顶部开有通孔的反应腔室。

所述支撑板6由多层相同结构的平板组成，每层平板上开有4组矩形槽，每组矩形槽的最大轮廓与用于放置改性材料5的凹槽一致，且每组矩形槽由3个小矩形槽结构组成，用于后续形成不同的反应腔室，支撑横梁可屏蔽其他方向的氧等离子体扩散，氧等离子体仅透过通孔掩膜3到达改性材料表面。将支撑板6贴合放置于改性材料夹具4上表面，掩膜夹具2贴合于支撑板6上表面，根据掩膜夹具2与改性材料夹具4之间的距离对支撑板6的数量和厚度进行调节更换，此时，改性材料5上方空间与每个小矩形槽结构、通孔掩膜3之间形成一个反应腔室，且反应腔室的高度可调节，保证氧等离子体发生装置产生的氧自由基与改性材料5充分反应。

支撑板6由多层相同结构，高度为2mm的平板组成。图5是表示本发明的掩膜夹具2、改性材料夹具4、支撑横梁6以及改性支架1的关系的示意图。图6是表示本发明的表面改性装置的实物图。掩膜夹具2与改性材料夹具4的密闭腔室具有一定高度，距离由改性支架1进行调整，以保证氧自由基与改性材料5的充分反应。

图6所示的改性支架1中有6条插槽1A，该插槽结构使得掩膜夹具2与改性材料夹具4之间的距离可在2、4、6mm之间进行调节。

图1所示的掩膜夹具2、改性材料夹具4、支撑板和改性支架都由3D打印快速成型，表面改性装置整体尺寸为140mm*40mm*60mm，掩膜夹具和改性材料夹具均为5mm厚，支撑板厚度为2mm，改性支架壁厚为2mm。

所述掩膜夹具2、改性材料夹具4、支撑板6、改性支架1为PMMA材质，进行机械加工形成。所述的通孔掩膜3为光敏树脂材料，通过3D打印技术快速成型。

所述掩膜夹具2、改性材料夹具4和支撑板6一侧均设计有把手，以便于操作。

图7是表示利用本发明的表面改性装置100的表面处理的流程的流程图。图2是表示本发明的通孔掩膜3和掩膜夹具2的关系的示意图。图3是表示本发明的改性材料5和改性材料夹具4的关系的示意图。图4是表示本发明的支撑板6的结构示意图。图5是表示本发明的掩膜夹具2、改性材料夹具4、支撑板以及改性支架1的关系的示意图。

以下是本实施例的表面改性装置100的表面改性处理的流程。

首先，将孔隙率不同的通孔掩膜3按设计的大小和位置插入掩膜夹具2的插槽中，利用掩膜夹具2上的掩膜夹紧机构夹紧通孔掩膜3。

其次，将改性材料5放置于改性材料夹具4上。

进而，将掩膜夹具2和改性材料夹具4插入改性支架1的凹槽中，掩膜夹具2在改性材料夹具4的上方，两者之间的距离由距离调节凹槽1A进行控制，根据距离调节凹槽1A的大小，选定支撑板6的数量，将支撑横梁6插入掩膜夹具2和改性材料夹具4之间。

然后，将表面改性装置100置于氧等离子体发生装置下，使氧等离子体发生装置工作，产生氧等离子体，对改性材料5表面进行处理，可控制氧等离子体发生装置的功率和工作时间来控制改性效果。

本实施例的反应结果为：

通过水接触角测量研究改性材料PDMS表面的湿润性变化。未改性的PDMS表面接触角为110°。经本实施例的表面改性装置进行表面处理后，在一个PDMS表面上，产生了五个湿润性梯度。当改性功率为30W，改性时间为25s时，孔隙率0.04、0.07、0.12、0.25、0.36和0.48的反应腔室所对应的改性材料表面接触角为5.57°、8.56°、18.98°、32.66°、44.49°和75.83°。

以下是本发明表面改性装置的表面改性处理的原理：

图8是表示本发明的表面改性处理中氧等离子体作用的示意图。

氧等离子体发生装置一般为去胶机，在去胶机内部形成一定真空度后，通入一定流量氧气，在阴极与阳极间的射频电场作用下，氧气原子被电离，进行辉光放电，产生氧等离子体，氧离子直接与样品表面原子反应，或入射离子将样品表面吸附的化学活性分子分解成为自由基，由入射离子产生的自由基在样品表面迁移，改变材料表面的官能团组成，从而实现材料的表面改性。

利用本发明的表面改性装置100，氧等离子体由氧等离子体发生装置产生，由于支撑板6的屏蔽作用，氧等离子体仅能由透过掩膜夹具2上的掩膜3到达改性材料5表面，孔隙率不同的通孔掩膜3控制氧等离子体的透过率，改性材料5与通孔掩膜3之间的密闭腔室具有一定高度，活化的氧自由基可与改性材料5表面进行充分反应，从而实现改性材料5表面的空间湿润性梯度改性。

以上所说明的实施方式的表面改性装置已示出示例，但在不违背本发明的技术思想的范围内，能够变形。

以下是本发明产业上的可利用性：

本发明的表面改性装置能够对可被氧等离子体改性的材料表面进行改性，对于PDMS、PMMA等聚合物的表面改性广泛有效。尤其可对空间湿润性有要求的材料表面进行空间湿润性梯度改性。本发明对材料的表面性质的控制以及相应产品品质的提高及发展作出贡献。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。