聚二甲基硅氧烷潤濕各向異性薄膜

姜蘭鈺,汪 靜,潘 超,周笑輝,曲 冰,劉 鑫

(大連海洋大學(xué)理學(xué)院,遼寧大連116023)

聚二甲基硅氧烷潤濕各向異性薄膜

姜蘭鈺,汪 靜,潘 超,周笑輝,曲 冰,劉 鑫

(大連海洋大學(xué)理學(xué)院,遼寧大連116023)

利用模板技術(shù)制備了聚二甲基硅氧烷光盤溝槽微結(jié)構(gòu)薄膜,采用電子顯微鏡對材料進(jìn)行表征并對薄膜的潤濕性各向異性進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:刻錄可以使光盤溝槽加深,利用聚二甲基硅氧烷復(fù)制的薄膜表面具有與光盤基本一致的表面微結(jié)構(gòu),但溝槽深度比原光盤有所降低.平行溝槽方向的接觸角大于與垂直溝槽方向的接觸角,具有明顯的潤濕各向異性.

聚二甲基硅氧烷;潤濕各向異性;薄膜

1 引 言

潤濕各向異性是材料表面的重要特性之一.潤濕各向異性指的是:在化學(xué)成分或幾何結(jié)構(gòu)不均勻的表面上,液滴不再是球形,而呈現(xiàn)為不規(guī)則的形狀,即這種表面上的潤濕具有各向異性[1].

自然界中一些具有溝槽狀微結(jié)構(gòu)的生物體表面,會表現(xiàn)出潤濕各向異性.鯊魚游泳速度快的秘訣不僅在于它具有適應(yīng)流體力學(xué)的外形等宏觀結(jié)構(gòu),還在于它擁有溝槽狀微觀體表形態(tài)[2].另外,在蜣螂頭部也存在著溝槽狀生物體表面[3].經(jīng)實驗驗證這些動物的溝槽狀表面都存在著潤濕各向異性.不僅在動物體表面,江雷等人[4]在水稻葉表面,也發(fā)現(xiàn)了潤濕各向異性.

由于潤濕各向異性材料在自清潔、減小阻力等方面有著重要應(yīng)用,因此有必要深入地探討固體表面溝槽結(jié)構(gòu)與潤濕各向異性之間的關(guān)系.Watanabe等人[5]在硅表面制備了平行溝槽結(jié)構(gòu),實驗結(jié)果也表明該表面存在潤濕性各向異性,平行于溝槽的方向的接觸角大于垂直方向的接觸角.Patankar等人[6]利用光刻、鑄模的微機(jī)械加工等技術(shù)在聚二甲基硅氧烷(以下簡稱PDM S)表面制備了溝槽結(jié)構(gòu),結(jié)果表明平行于溝槽方向的接觸角大于垂直于溝槽方向的接觸角.他們用“Surface Evolver”軟件模擬的液滴在平行溝槽結(jié)構(gòu)上的形狀發(fā)現(xiàn)由于在垂直于溝槽的方向上三相接觸線受到阻滯,從而導(dǎo)致液滴呈橢球形.韓海強(qiáng)等人[7]從熱力學(xué)原理解釋了粗糙表面潤濕各向異性.他們認(rèn)為:非復(fù)合動態(tài)潤濕的各向異性隨外界振動能增加而減小,而復(fù)合動態(tài)潤濕的各向異性則增加.

本文利用模板技術(shù)復(fù)制了CD和DVD光盤溝槽負(fù)結(jié)構(gòu),制備了PDM S薄膜,并通過掃描電鏡對CD和DVD光盤及復(fù)制PDM S薄膜進(jìn)行表征,用接觸角測量儀測量光盤及PDM S復(fù)制薄膜的潤濕性.PDM S是用模板技術(shù)復(fù)制微結(jié)構(gòu)中常用的彈性高分子材料,具有低玻璃化溫度、低表面能、高透氣性、極佳的絕緣性和穩(wěn)定性等優(yōu)良特性,因此制備PDM S溝槽結(jié)構(gòu)在功能材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.

2 實 驗

2.1 實驗儀器

1)掃描電子顯微鏡:JSM-6300型,日本生產(chǎn);

2)靜滴接觸角/界面張力測量儀:JC2000C2型,上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司生產(chǎn);

3)真空干燥箱:DZF-6020型,上海精宏實驗設(shè)備有限公司生產(chǎn);

4)電子天平:BS 124S型,北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司生產(chǎn).

2.2 實驗材料

1)PDM S預(yù)聚物和固化劑:Dow Co rning公司產(chǎn)Sylgard184;

2)濃硝酸:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%,密度為1.4 g/cm3,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn);3)去離子水:M illi-Q,實驗室自制;4)CD、DVD光盤.

2.3 實驗材料預(yù)處理及PDMS溝槽薄膜的制備

實驗材料預(yù)處理及PDM S溝槽薄膜的制備見文獻(xiàn)[8].

2.4 溝槽潤濕性測量

利用接觸角測量儀測量光盤表面和PDM S薄膜溝槽面的接觸角.并分別記錄與溝槽平行方向、與溝槽平行方向成45°方向、與溝槽平行方向成90°(溝槽垂直方向)和與溝槽平行方向成135°方向上的接觸角.同時測量光盤和PDM S薄膜材料的本征接觸角.

2.5 溝槽表面形貌表征

利用電子顯微鏡對光盤表面和PDM S薄膜溝槽面進(jìn)行表征.

3 結(jié)果與討論

3.1 電鏡觀察

利用掃描電子顯微鏡對CD和DVD刻錄和未刻錄光盤以及利用PDM S復(fù)制CD和DVD刻錄和未刻錄光盤表面進(jìn)行表征,所獲得的表面形貌圖如圖1～2所示.

由掃描電鏡圖可看出對于刻錄光盤凹槽深度比未刻錄光盤略有加深,這是由于刻錄本身要對光盤進(jìn)行燒蝕所致.圖1～2表明利用PDM S復(fù)制的薄膜與原光盤表面的溝脊寬度、間距基本相等,即較好地復(fù)制出了光盤表面的微結(jié)構(gòu),這與激光衍射法測量光盤光柵常量的結(jié)論一致[8].但是,利用PDM S復(fù)制刻錄、未刻錄光盤的凹槽深度降低.這可能是成膜時PDM S沒有完全滲透到材料結(jié)構(gòu)中,在揭膜時PDM S略有殘留所致.

3.2 潤濕性測量

用接觸角測量儀測得CD及DVD未刻錄光盤、CD及DVD刻錄光盤、利用PDM S復(fù)制光盤薄膜在溝槽不同方向上的接觸角.同時測量光盤、PDMS本征接觸角.實驗曲線如圖3所示.

圖1 CD及PDMS復(fù)制CD光盤表面掃描電鏡圖

圖2 DVD和PDMS復(fù)制DVD光盤表面掃描電鏡圖

圖3 CD,DVD光盤及PDM S復(fù)制光盤薄膜接觸角

圖3表明:刻錄光盤的接觸角要比未刻錄光盤的接觸角大,PDM S復(fù)制刻錄光盤的接觸角要比PDM S復(fù)制未刻錄光盤的接觸角大.這是由于刻錄使光盤溝槽的深度略有加深引起的.

在平行于溝槽方向上的接觸角要大于垂直于溝槽方向上的接觸角,這是潤濕各向異性的主要表現(xiàn).這與Patankar等人[6]的研究一致.其原因是在垂直于溝槽的方向上三相接觸線受到阻滯,從而導(dǎo)致液滴呈橢球形.

無論對于CD光盤或DVD光盤各個方向的接觸角都要小于光盤材料的本身的本征值.PDM S復(fù)制的薄膜各個方向的接觸角都要大于PDM S材料的本身的本征值.這說明表面溝槽結(jié)構(gòu)對光盤材料的潤濕性有影響,而且溝槽結(jié)構(gòu)可以使原來親水的材料更加親水,原來疏水的材料更加疏水.

4 結(jié)束語

本文利用模板技術(shù)制備了PDMS溝槽薄膜,利用接觸角測量儀測量光盤和PDM S復(fù)制薄膜的潤濕各項異性及本征接觸角,用電子顯微鏡對光盤及PDM S復(fù)制薄膜進(jìn)行表征.實驗結(jié)果表明:刻錄可以使光盤溝槽深度加深并且利用PDM S復(fù)制的光盤薄膜溝槽深度比原盤略有降低.在溝槽寬度一定的條件下,溝槽深度越深接觸角越大.表面溝槽結(jié)構(gòu)對潤濕性有影響,使光盤表面更加親水,PDM S表面更加疏水.而且潤濕各向異性主要表現(xiàn)在平行于溝槽方向接觸角大于垂直于溝槽方向接觸角.

[1]趙燕.具有特殊潤濕性能的聚合物基界面材料的構(gòu)筑:表面化學(xué)組成與微觀幾何結(jié)構(gòu)[D].上海:上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,2007.

[2]邵靜靜,藺存國,張金偉,等.鯊魚皮仿生防污研究[J].涂料工業(yè),2008,38(10):39-41,44.

[3]孫雯宇,佟金.甲殼類昆蟲生物材料性能、微觀結(jié)構(gòu)研究與放生進(jìn)展[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,24(10):31-39.

[4]Feng L,Li S,Li Y,et al.Super-hydrophobic surfaces:from natural to artificial[J].Advanced Materials,2002,14(24):1857-1860.

[5]Yoshimitsu Z,Nakajima A,Watanabe T,et al.Effects of surface structure on the hydrophobicity and sliding behavior of water drop lets[J].Langmuir,2002,18(15):5818-5822.

[6]Chen Y,He B,Lee J,et al.Anisotropy in the wetting of rough surfaces[J].Colloid Interface Science,2005,281(2):458-464.

[7]韓海強(qiáng),方國平,張宏筠,等.亞微觀粗糙表面潤濕各向異性及振動能影響研究[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,2009,31(2):29-37.

[8]姜蘭鈺,汪靜,周笑輝,等.聚二甲基硅氧烷光柵薄膜制備及光柵常量測量[J].物理實驗,2010,30(5):5-7.

[責(zé)任編輯:任德香]

Wetting anisotropy film of polydimethylsiloxane

JIANG Lan-yu,WANG Jing,PAN Chao,ZHOU Xiao-hui,QU Bing,L IU Xin
(Schoo l of Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

The groove micro-structure of compact disc was copied by utilizing the temp late technology,and polydimethylsiloxane film was p repared.Besides,we adop ted SEM to measure thematerials and contact anglemeter for bearings to research wetting of the dup licate film.The results indicated that groove dep th of the burnt compact disc was deeper than compact disc.The groove dep th of polydimethylsiloxane film was lower than the compact disc.The contact angle of the groove microstructure film of polydimethylsiloxane in the parallel direction of groovesw as greater than that in perpendicular direction.And the wetting anisotropy w as remarkable.

polydimethylsiloxane;wetting anisotropy;film

O484.8

A

1005-4642(2011)03-0004-04

“第6屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文

2010-06-10;修改日期:2010-08-06

遼寧省科學(xué)技術(shù)計劃(No.2008228002);遼寧省教育廳計劃(No.2009A 172);教育部物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委會(No.08004);2009年度遼寧省高等教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項目(No.A-245)

姜蘭鈺(1984-),男,遼寧鞍山人,大連海洋大學(xué)理學(xué)院碩士研究生,研究方向為納米技術(shù)與生物功能材料.

汪 靜(1966-),女,遼寧鞍山人,大連海洋大學(xué)理學(xué)院教授,博士,主要從事物理學(xué)教育及納米技術(shù)與生物功能材料方面研究.