复制来的超疏水表面
2020-02-17 12:00:30
作者：X一MOL 来源：X一MOL资讯
聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有优异的柔性、化学惰性、透明度及生物相容性，在医学、光学及柔性电子学等诸多领域得到广泛的应用。其中，PDMS弹性体由液体预聚体与交联剂后交联成型的特点使其在微/纳接触模塑构筑各种功能器件方面展现出独特的优势。近来，基于微/纳接触模塑技术，PDMS在柔性光学透镜、微型反应器、微芯片、微纳阵列结构以及超疏表面构筑等应用方面取得了系列显著成果。探索并发展简便的模塑技术实现PDMS基功能表面及器件的制备，是材料科学领域的研究热点。
近日，加拿大西蒙弗雷泽大学Hua-Zhong Yu教授研究团队通过溶剂诱导结晶，在传统高分子材料聚碳酸酯（PC）表面构筑球状微纳复合形貌，以此为模板基于微/纳接触模塑简便实现了PDMS超疏水表面的构筑。经过合理优化各实验参数，所制备PDMS表面水接触角高达172 ±1°、滚动角<1°，展现出卓越的超疏水性能。同时，研究人员对PC表面诱导结晶形貌、内在机理以及材料表面形貌与疏水性能内在关系等方面进行了系统的探究。
微/纳接触模塑构筑PDMS超疏水表面示意图。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces初始的透明平整PC表面呈现较低疏水性，水接触角90±1°；经过溶剂（丙酮）诱导结晶，PC转变为不透明，但表面水接触角也提升至151±2°。进一步经PDMS微/纳接触复制后，得到超疏水PDMS表面（水接触角157±1°）。系统研究表明溶剂体系（丙酮 vs. 乙酸乙酯）、溶剂诱导时间、后处理方法以及PDMS预聚体系浓度对PC及所构筑PDMS表面疏水性具有显著影响。当丙酮或乙酸乙酯溶剂处理时间达120 s时，体系表面接触角能够达到＞170°。
不同实验参数对PC、PDMS表面疏水性能的影响。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
材料表面形貌变化影响着表面疏水性的变化。研究人员进一步系统考察了不同溶剂处理时间对材料表面微观形貌的影响。如SEM测试所示：随着溶剂处理时间的增加，PC表面结晶区域逐渐延伸、材料表面诱导结晶形成的球状微纳复合粗糙形貌愈加明显（粗糙度增大），相应PDMS复制形貌也随之变化。
溶剂处理时间对PC及PDMS表面形貌的影响。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
此外，研究表明PDMS体系中添加h-PDMS或采用有机溶剂稀释能够显著提升PDMS复制PC结晶微纳形貌的完整性，使得复制PDMS体系具有明显的微纳复合粗糙结构，从而赋予PDMS表面更高的疏水性能。
PDMS体系构成对复制微纳形貌的影响。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
基于所构筑PDMS优异的超疏水特性（静态水接触角＞170°，滚动角1°），该研究成果可用于构筑大面积PDMS基超疏水、自清洁表面。同时，该超疏水PDMS表面在微流体技术方面具有重要的潜在应用。基于简便的UV-臭氧处理，可使得疏水PDMS表面形成图案化的亲水区域，从而用作液体传输微通道。
疏水PDMS表面UV-臭氧构筑微流体通道。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
总结
微/纳粗糙结构是构筑超疏表面的关键因素。该论文通过商业化PC树脂表面溶剂诱导结晶结合微接触模塑（复制），简便实现了具有自清洁效应PDMS超疏水表面的构筑。该方法对PC模板尺寸没有限制性，适于超疏水PDMS大面积、低成本制备。同时，该微纳结构表面模塑制备方法可拓展至其他聚合物基微结构及功能表面的构筑。
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