你的位置:纳米防水网 > 防水技术 > 超疏水疏油 > 浏览文章

高强度透明超全疏水性聚合物薄膜的大面积制备

2021年03月30日 点击:

超双疏表面与水、油的接触角大于和低滑动角,与超疏水表面相比,超双疏表面有更广泛的应用,包括自清洁、防污、化学屏蔽、防溢漏、防结冰、防腐蚀、燃料运输和减阻等。然而,制造这种具有超双疏表面是相当耗时的,通常涉及昂贵的光刻工具或复杂的化学过程。此外,表面粗糙度与透明度的矛盾也提出了另一个挑战:一方面,超双疏表面需要足够的表面粗糙度来获得高接触角(CA)和低接触角滞后(CAH)。另一方面,表面粗糙度必须足够小,以保持高透过率的光。虽然人们曾用简单的浸渍或喷涂方法成功地制备出透明的超双疏表面,但得到的表面形貌具有重入几何形状,且不规则不可控。

于是复旦大学材料科学系WuLiMin教授团队提出了一种简单易行的策略(图1)。简单的说,单层二氧化硅阵列是通过将干燥的二氧化硅球粉末在PDMS涂层基板上与另一PDMS基板进行单向摩擦而获得的。将二氧化硅球组装成单层,然后在220℃以上热处理72小时后,将环氧基光致抗蚀剂SU-8渗透到硅模板中,在紫外光照射1分钟后固化成膜,去除硅模板,用1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基三氯硅烷(PFOTS)对薄膜进行化学气相沉积改性,得到了具有优异拒液性能的单层有序重入结构。但是结果出现两种不同的结构,一种是当使用5硅球模板使,得到具有折返几何结构的六边形三臂柱;另外一种是当使用10、15和20二氧化硅微球模板时,获得了另外一种特殊的有序多孔结构,每个孔周围有6个矩形的微柱。其中的原因可以解释为:当二氧化硅胶体微球组装成高度结晶的排列结构时,相邻的三个二氧化硅微球(图1a中表示为空隙1)和相邻的两个二氧化硅微球(图1a中表示为空隙2)形成的空隙都存在毛细效应。当二氧化硅微球很小(例如直径为5μm)时,空隙2容易堵塞,因为热处理导致相邻二氧化硅微球更紧密地接触。结果,出现了具有可重入几何结构的六边形三臂柱。相反,在相同的热处理条件下,用大尺寸的二氧化硅微球作为模板时,空穴2很难完全堵塞。同时,由于间隙比空隙1大,空隙1没有表现出足够的毛细效应。结果,空隙1中相应的SU-8容易从模板中冲走,留下空隙2中的SU-8,然后通过UV固化,形成有序的多孔结构,每个孔周围有六个矩形微柱。


图1 单向摩擦结合热处理技术制备大面积透明超疏水薄膜的示意图


考虑到在现实恶劣环境中的实际应用,通过涂覆聚合物薄膜的4英寸硅片进一步测试了所制备薄膜的化学稳定性。如图2所示,即使在1M HCl(图2a)、1M NaOH(图2b)和1M NaCl(图2c)溶液中浸泡96h,处理后的聚合物涂层薄膜仍显示出优异的拒液性(图2d-f)。除了化学稳定性外,还研究了聚合物薄膜的机械稳定性和柔韧性。如图2g所示,用100~200砂子划伤聚合物膜表面进行落砂磨损试验。砂磨后,聚合物表面仍保持超疏水性。此外,我们还采用标准砂纸划痕试验证明了聚合物薄膜的机械稳定性,如图2h所示。砂纸划伤后,测试液滴在聚合物薄膜表面保持球形(图2i)。



图2 所得聚合物薄膜的化学稳定性和机械稳健性


随后作者也进一步研究了所制备聚合物薄膜的紫外可见光透过率,发现HF浓度和刻蚀时间对聚合物薄膜透明度有明显影响。当在2 vol%的氢氟酸中处理15分钟时,所得聚合物薄膜为半透明或不透明。但是,在5%氢氟酸处理5min后,聚合物薄膜的光学透明度得到了很大的提高。如图3a所示,在PFOTS改性之前,聚合物薄膜具有与普通玻璃滑动具有可比的透射率。即使用PFOTS改性后,聚合物薄膜在400-800 nm的光谱范围内仍保持80%以上的透射率,除了如图3b所示的突出超亲性外,显示出良好的透明度。这些薄膜很容易从玻璃片上剥离(图3c和3d),然后转移到其他衬底上。这些结果表明,所获得聚合物薄膜的特点,可能应用在许多重要领域上。



图3 透明超全疏水性薄膜的制备


综上所述,作者开发了一种简单的单向摩擦加热处理方法,用于制备透明的超全疏水聚合物薄膜或涂层,它们不仅具有优异的拒液能力,而且具有高度透明性和良好的耐久性能。

 

参考文献:

[1] Y. Wu, J. Zeng, Y. Si, M. Chen, L. Wu, Large-AreaPreparation of Robust and Transparent Superomniphobic Polymer Films, ACS Nano,12 (2018).