激光烧蚀制备超疏水PDMS表面

刘畅　吴厚安

摘 要：自然界中，水滴在荷叶表面自由滚动并且带走附着在其表面的灰尘颗粒。受这种表面自清洁效应启发，疏水表面以其防水、防污染、防氧化和自清洁等多种功能而备受人们关注受到研究人员的广泛关注。目前，制备超疏水表面满足的两个要素：表面结构粗糙和材料具有低表面能的化学本质。基于这个原则制作超疏水表面的方法有很多，但是有的需要苛刻的技术条件，如高真空、高温高压；有些方法加工步骤多，工艺繁琐且耗时；有些方法只局限于加工平面结构。所以需要简单快捷高效的制作方法来克服上述缺点。应这个需求，采用激光烧蚀聚合物的方法制备超疏水表面。该文介绍了采用常见的PDMS柔性聚合物作为加工材料，进行激光烧蚀，通过步进电机控制刻蚀速度和间隔，实现粗糙度的调节，从而得到柔性疏水结构。

关键词：激光烧蚀 超疏水 PDMS表面 制备

中图分类号：O647 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0115-02

超疏水结构技术会广泛的应用到人们的日常生产生活中。防水防腐蚀功能的衣服可以应用到野外探险；超强浮力的超疏水救生衣，让你可以携带更多工具而浮在水面上；摩天大楼的玻璃外墙也不用人为的清洗就能自己保持干净；减阻的超疏水材料使船舶的速度大大提高[1]。文章采用激光烧蚀制备超疏水PDMS表面，有实验条件容易达到、工艺步骤简单易操作以及应用广泛等多方面的优点。

激光烧蚀制备超超疏水PDMS表面工艺步骤分为PDMS溶液的配置和样片激光烧蚀两个步骤，原理简单，容易操作。由于PDMS材料本身的生物相容特性，所以利用激光烧蚀制备出的超疏水PDMS表面不仅可以应用生产生活中，而且可以用于人体内各种特殊的手术，如心脏起搏器的外表薄膜和人造骨骼的外表面膜等。

1 激光烧蚀的基本原理

激光烧蚀利用激光具有高能量和高聚光性的特点[2]。通常情况下，这一技术的应用多是集中在制作宏观结构。我们利用其高能量特性将表面粗糙化。

由在激光辐照下，被接触物质在其高能量特性所带来的巨大热量和冲击力作用下，瞬间气化或迸溅[3]。在作用范围，形成蚀坑，而喷溅出来的微颗粒又会在作用区的边缘沉降。这样在作用区形成的创斑，会呈现出微观尺度上的多孔结构。经过激光烧蚀处理后，样片表面会变得非常粗糙，产生凹凸状和沟槽状等表面结构，碳氧原子的数目比也发生了很大的变化，从而影响了材料的疏水特性。

实验中，通过调节光能量的调节，来调整烧蚀深度。当增加光强和作用时间时，结构粗糙度增加。为了提高结构的微细程度，应选择将激光束用透镜聚焦，进一步减小激光与基底的接触面积。聚焦后，光斑的尺寸在2 mm左右，形成微尺度的粗糙结构。

激光器能量达到烧蚀产生的阈值条件时，将会发生烧蚀喷射。当调节入射激光光强I、光斑半径R等参数后，烧蚀表面的粗糙度得以调节。

2 实验步骤

该实验分为实验前玻璃样片的制备清洗、PDMS的制备和成膜、步进电机设置和激光烧蚀以及实验后数据的测量和分析。

（1）基片切割。将长方形的载玻片用玻璃刀切割成正方形，为后续匀胶过程做准备。选用对称形状，以利于旋涂均匀。

（2）基底清洗。①丙酮溶液清洗样片，去除有机杂质。②无水乙醇溶液清洗样片，去除上一步残留丙酮溶液。③去离子水冲洗去除上一步残留乙醇分子。

（3）PDMS溶液配制。用液态聚合物和固化剂按照质量比是10∶1的比例混合，由于聚合物粘稠，混合时间在15 min以上。用离心机在5 000 r/min的转速下离心5 min除去气泡，以避免后续成膜不均。

（4）成膜。调整匀胶机的前转500 r/min，匀胶10 s，低速旋转使胶铺开。转速2 500 r/min，匀胶30 s，高速旋转使胶均匀平铺。

（5）固化。成膜后放入培养皿中的玻璃样片放在温度65℃的烘箱中烘烤，2～3 h为宜。

（6）调节光路。实验开始前，调整光屏位置在透镜焦点处。保持光水平走向，通过透镜的中心，达到最好的聚焦效果。

（7）激光烧蚀。样片固定在接收屏上，通过步进电机控制接受屏的上下左右移动情况。电脑控制步进电机的扫描速度、扫描间隔等。同时控制激光器的光强，调控加工参数。

（8）性能测试。通过测量激光烧蚀所得的PDMS表面疏水效果，包括静态特性（接触角）和动态特性（滚动角）的大小，测得多组数据用于分析。

3 结果分析与讨论

首式中：、以及分别代表固一气、液一气、固一液界面表面张力，θ为平衡接触角。如图1所示。

当接触角大于90°时我们称之为疏水材料，当接触角大于150°时，称之为超疏水材料[5]。由于制备的结构表面疏水性能太优良，水滴很难再独立站立在结构表面上，水滴刚一低落在上面便滚动走了，只能选取水滴从针头中挤出但是没脱离针头的情况下进行接触角测量。针头对水滴不施加压力时左接触角154.68°，右接触角158.83°，取平均值得接触角为156.76°，当针头对材料表面的水滴施加轻微压力时，接触角测得左接触角为153.07°，右接触角为153.91°，取平均值接触角为153.49°。即使在额外施加压力的情况下，水滴有稍微变成椭圆形，但是与平面的接触面积仍然很小，为了平衡外力和表面张力，水滴选择横向拓展。水滴在气膜的阻隔下，即使在外力作用下仍然很难进入到结构底部。通过激光烧蚀制备的超疏水PDMS表面，小针对水滴不施加压力的接触角为156.76°，小针对水滴施加轻微压力时，接触角为153.49°，均大于150°满足超疏水表面条件，说明该材料有着非常优秀的疏水特性。

滚动角的定义为水滴滚落平面时，平面的临界倾斜角。滚动角越小，水滴越容易从材料表面滚动，材料疏水特性越好。水滴从针头中挤出后，刚接触到结构表面，便滚走。从图中可以看出来，平面未做任何倾斜，只保持平整的姿态放在测试台上。从图中可以看出，不论是对于小体积水滴和大体积水滴，平面都表现出很小的滚动角，在2°以内，以至于水滴刚一滴落便滚动走。可见，水滴与表面的粘附力微小，使水滴瞬间滚落，即表现出非常优秀的疏水特性。当水滴在针头上悬挂未脱离针头时，缓慢降低针头是水滴与平面接触后，再提起针头时，水滴能够完好无损地脱离结构表面。表现出很小的粘附力。即使是当增大水滴体积的时候，在重力作用下，水滴仍然能够从平面上完好地脱离。

4 结语

现现阶段制备超疏水表面材料的方法虽然有很多，但不同的制备方法在实验条件、操作步骤、应用广泛性方面等有着不同的局限性。笔者选用的利用激光烧蚀制备超疏水PDMS表面材料具备了以下几个方面的优势：样品疏水效果好，接触角大，滚动角小；实验条件容易达到，常温、空气中，不需要高温高压等条件；操作步骤简单，激光烧蚀加工对软件控制的执行率高，获得的加工结构与理论设计几乎完全吻合。

不断调整和改进实验过程中的参数控制，然后对得到的样片进行静态特性的测量和动态特性的观察：得到最大接触角为156.76°>150°，满足超疏水要求；给停留在PDMS表面的水滴很小的应力，水滴立刻滚出材料表面，说明样片的滚动角很小；说明通过激光烧蚀制备的PDMS表面具有良好的超疏水特性。

参考文献

[1] 江雷.从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J].化工进展，2003，22（12）：1258-1264.

[2] Reg Y，Kageler C，Schmidt M.Experimental studies on effects at micro-structureing of highly reflecting metals using nano-and picosecond-laser[J].Physics Procedia，2010（5）：245-253.

[3] Sinko J，Gregory D A.Vaporization-driven impulse generation for laser propulsion[C]//AIAA，2007：2007-5601.