聚二甲基硅氧烷润湿各向异性薄膜

姜兰钰,汪 静,潘 超,周笑辉,曲 冰,刘 鑫

(大连海洋大学理学院,辽宁大连116023)

聚二甲基硅氧烷润湿各向异性薄膜

姜兰钰,汪 静,潘 超,周笑辉,曲 冰,刘 鑫

(大连海洋大学理学院,辽宁大连116023)

利用模板技术制备了聚二甲基硅氧烷光盘沟槽微结构薄膜,采用电子显微镜对材料进行表征并对薄膜的润湿性各向异性进行了研究.结果表明:刻录可以使光盘沟槽加深,利用聚二甲基硅氧烷复制的薄膜表面具有与光盘基本一致的表面微结构,但沟槽深度比原光盘有所降低.平行沟槽方向的接触角大于与垂直沟槽方向的接触角,具有明显的润湿各向异性.

聚二甲基硅氧烷;润湿各向异性;薄膜

1 引 言

润湿各向异性是材料表面的重要特性之一.润湿各向异性指的是:在化学成分或几何结构不均匀的表面上,液滴不再是球形,而呈现为不规则的形状,即这种表面上的润湿具有各向异性[1].

自然界中一些具有沟槽状微结构的生物体表面,会表现出润湿各向异性.鲨鱼游泳速度快的秘诀不仅在于它具有适应流体力学的外形等宏观结构,还在于它拥有沟槽状微观体表形态[2].另外,在蜣螂头部也存在着沟槽状生物体表面[3].经实验验证这些动物的沟槽状表面都存在着润湿各向异性.不仅在动物体表面,江雷等人[4]在水稻叶表面,也发现了润湿各向异性.

由于润湿各向异性材料在自清洁、减小阻力等方面有着重要应用,因此有必要深入地探讨固体表面沟槽结构与润湿各向异性之间的关系.Watanabe等人[5]在硅表面制备了平行沟槽结构,实验结果也表明该表面存在润湿性各向异性,平行于沟槽的方向的接触角大于垂直方向的接触角.Patankar等人[6]利用光刻、铸模的微机械加工等技术在聚二甲基硅氧烷(以下简称PDM S)表面制备了沟槽结构,结果表明平行于沟槽方向的接触角大于垂直于沟槽方向的接触角.他们用“Surface Evolver”软件模拟的液滴在平行沟槽结构上的形状发现由于在垂直于沟槽的方向上三相接触线受到阻滞,从而导致液滴呈椭球形.韩海强等人[7]从热力学原理解释了粗糙表面润湿各向异性.他们认为:非复合动态润湿的各向异性随外界振动能增加而减小,而复合动态润湿的各向异性则增加.

本文利用模板技术复制了CD和DVD光盘沟槽负结构,制备了PDM S薄膜,并通过扫描电镜对CD和DVD光盘及复制PDM S薄膜进行表征,用接触角测量仪测量光盘及PDM S复制薄膜的润湿性.PDM S是用模板技术复制微结构中常用的弹性高分子材料,具有低玻璃化温度、低表面能、高透气性、极佳的绝缘性和稳定性等优良特性,因此制备PDM S沟槽结构在功能材料领域具有广泛的应用前景.

2 实 验

2.1 实验仪器

1)扫描电子显微镜:JSM-6300型,日本生产;

2)静滴接触角/界面张力测量仪:JC2000C2型,上海中晨数字技术设备有限公司生产;

3)真空干燥箱:DZF-6020型,上海精宏实验设备有限公司生产;

4)电子天平:BS 124S型,北京赛多利斯仪器系统有限公司生产.

2.2 实验材料

1)PDM S预聚物和固化剂:Dow Co rning公司产Sylgard184;

2)浓硝酸:质量分数为65%,密度为1.4 g/cm3,天津市科密欧化学试剂有限公司生产;3)去离子水:M illi-Q,实验室自制;4)CD、DVD光盘.

2.3 实验材料预处理及PDMS沟槽薄膜的制备

实验材料预处理及PDM S沟槽薄膜的制备见文献[8].

2.4 沟槽润湿性测量

利用接触角测量仪测量光盘表面和PDM S薄膜沟槽面的接触角.并分别记录与沟槽平行方向、与沟槽平行方向成45°方向、与沟槽平行方向成90°(沟槽垂直方向)和与沟槽平行方向成135°方向上的接触角.同时测量光盘和PDM S薄膜材料的本征接触角.

2.5 沟槽表面形貌表征

利用电子显微镜对光盘表面和PDM S薄膜沟槽面进行表征.

3 结果与讨论

3.1 电镜观察

利用扫描电子显微镜对CD和DVD刻录和未刻录光盘以及利用PDM S复制CD和DVD刻录和未刻录光盘表面进行表征,所获得的表面形貌图如图1～2所示.

由扫描电镜图可看出对于刻录光盘凹槽深度比未刻录光盘略有加深,这是由于刻录本身要对光盘进行烧蚀所致.图1～2表明利用PDM S复制的薄膜与原光盘表面的沟脊宽度、间距基本相等,即较好地复制出了光盘表面的微结构,这与激光衍射法测量光盘光栅常量的结论一致[8].但是,利用PDM S复制刻录、未刻录光盘的凹槽深度降低.这可能是成膜时PDM S没有完全渗透到材料结构中,在揭膜时PDM S略有残留所致.

3.2 润湿性测量

用接触角测量仪测得CD及DVD未刻录光盘、CD及DVD刻录光盘、利用PDM S复制光盘薄膜在沟槽不同方向上的接触角.同时测量光盘、PDMS本征接触角.实验曲线如图3所示.

图1 CD及PDMS复制CD光盘表面扫描电镜图

图2 DVD和PDMS复制DVD光盘表面扫描电镜图

图3 CD,DVD光盘及PDM S复制光盘薄膜接触角

图3表明:刻录光盘的接触角要比未刻录光盘的接触角大,PDM S复制刻录光盘的接触角要比PDM S复制未刻录光盘的接触角大.这是由于刻录使光盘沟槽的深度略有加深引起的.

在平行于沟槽方向上的接触角要大于垂直于沟槽方向上的接触角,这是润湿各向异性的主要表现.这与Patankar等人[6]的研究一致.其原因是在垂直于沟槽的方向上三相接触线受到阻滞,从而导致液滴呈椭球形.

无论对于CD光盘或DVD光盘各个方向的接触角都要小于光盘材料的本身的本征值.PDM S复制的薄膜各个方向的接触角都要大于PDM S材料的本身的本征值.这说明表面沟槽结构对光盘材料的润湿性有影响,而且沟槽结构可以使原来亲水的材料更加亲水,原来疏水的材料更加疏水.

4 结束语

本文利用模板技术制备了PDMS沟槽薄膜,利用接触角测量仪测量光盘和PDM S复制薄膜的润湿各项异性及本征接触角,用电子显微镜对光盘及PDM S复制薄膜进行表征.实验结果表明:刻录可以使光盘沟槽深度加深并且利用PDM S复制的光盘薄膜沟槽深度比原盘略有降低.在沟槽宽度一定的条件下,沟槽深度越深接触角越大.表面沟槽结构对润湿性有影响,使光盘表面更加亲水,PDM S表面更加疏水.而且润湿各向异性主要表现在平行于沟槽方向接触角大于垂直于沟槽方向接触角.

[1]赵燕.具有特殊润湿性能的聚合物基界面材料的构筑:表面化学组成与微观几何结构[D].上海:上海交通大学化学化工学院,2007.

[2]邵静静,蔺存国,张金伟,等.鲨鱼皮仿生防污研究[J].涂料工业,2008,38(10):39-41,44.

[3]孙雯宇,佟金.甲壳类昆虫生物材料性能、微观结构研究与放生进展[J].华中农业大学学报,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]韩海强,方国平,张宏筠,等.亚微观粗糙表面润湿各向异性及振动能影响研究[J].湘潭大学自然科学学报,2009,31(2):29-37.

[8]姜兰钰,汪静,周笑辉,等.聚二甲基硅氧烷光栅薄膜制备及光栅常量测量[J].物理实验,2010,30(5):5-7.

[责任编辑: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届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-06-10;修改日期:2010-08-06

辽宁省科学技术计划(No.2008228002);辽宁省教育厅计划(No.2009A 172);教育部物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委会(No.08004);2009年度辽宁省高等教育教学改革研究重点项目(No.A-245)

姜兰钰(1984-),男,辽宁鞍山人,大连海洋大学理学院硕士研究生,研究方向为纳米技术与生物功能材料.

汪 静(1966-),女,辽宁鞍山人,大连海洋大学理学院教授,博士,主要从事物理学教育及纳米技术与生物功能材料方面研究.