劉暢　吳厚安

摘 要：自然界中，水滴在荷葉表面自由滾動并且?guī)ё吒街谄浔砻娴幕覊m顆粒。受這種表面自清潔效應啟發(fā)，疏水表面以其防水、防污染、防氧化和自清潔等多種功能而備受人們關(guān)注受到研究人員的廣泛關(guān)注。目前，制備超疏水表面滿足的兩個要素：表面結(jié)構(gòu)粗糙和材料具有低表面能的化學本質(zhì)?；谶@個原則制作超疏水表面的方法有很多，但是有的需要苛刻的技術(shù)條件，如高真空、高溫高壓；有些方法加工步驟多，工藝繁瑣且耗時；有些方法只局限于加工平面結(jié)構(gòu)。所以需要簡單快捷高效的制作方法來克服上述缺點。應這個需求，采用激光燒蝕聚合物的方法制備超疏水表面。該文介紹了采用常見的PDMS柔性聚合物作為加工材料，進行激光燒蝕，通過步進電機控制刻蝕速度和間隔，實現(xiàn)粗糙度的調(diào)節(jié)，從而得到柔性疏水結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：激光燒蝕 超疏水 PDMS表面 制備

中圖分類號：O647 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0115-02

超疏水結(jié)構(gòu)技術(shù)會廣泛的應用到人們的日常生產(chǎn)生活中。防水防腐蝕功能的衣服可以應用到野外探險；超強浮力的超疏水救生衣，讓你可以攜帶更多工具而浮在水面上；摩天大樓的玻璃外墻也不用人為的清洗就能自己保持干凈；減阻的超疏水材料使船舶的速度大大提高[1]。文章采用激光燒蝕制備超疏水PDMS表面，有實驗條件容易達到、工藝步驟簡單易操作以及應用廣泛等多方面的優(yōu)點。

激光燒蝕制備超超疏水PDMS表面工藝步驟分為PDMS溶液的配置和樣片激光燒蝕兩個步驟，原理簡單，容易操作。由于PDMS材料本身的生物相容特性，所以利用激光燒蝕制備出的超疏水PDMS表面不僅可以應用生產(chǎn)生活中，而且可以用于人體內(nèi)各種特殊的手術(shù)，如心臟起搏器的外表薄膜和人造骨骼的外表面膜等。

1 激光燒蝕的基本原理

激光燒蝕利用激光具有高能量和高聚光性的特點[2]。通常情況下，這一技術(shù)的應用多是集中在制作宏觀結(jié)構(gòu)。我們利用其高能量特性將表面粗糙化。

由在激光輻照下，被接觸物質(zhì)在其高能量特性所帶來的巨大熱量和沖擊力作用下，瞬間氣化或迸濺[3]。在作用范圍，形成蝕坑，而噴濺出來的微顆粒又會在作用區(qū)的邊緣沉降。這樣在作用區(qū)形成的創(chuàng)斑，會呈現(xiàn)出微觀尺度上的多孔結(jié)構(gòu)。經(jīng)過激光燒蝕處理后，樣片表面會變得非常粗糙，產(chǎn)生凹凸狀和溝槽狀等表面結(jié)構(gòu)，碳氧原子的數(shù)目比也發(fā)生了很大的變化，從而影響了材料的疏水特性。

實驗中，通過調(diào)節(jié)光能量的調(diào)節(jié)，來調(diào)整燒蝕深度。當增加光強和作用時間時，結(jié)構(gòu)粗糙度增加。為了提高結(jié)構(gòu)的微細程度，應選擇將激光束用透鏡聚焦，進一步減小激光與基底的接觸面積。聚焦后，光斑的尺寸在2 mm左右，形成微尺度的粗糙結(jié)構(gòu)。

激光器能量達到燒蝕產(chǎn)生的閾值條件時，將會發(fā)生燒蝕噴射。當調(diào)節(jié)入射激光光強I、光斑半徑R等參數(shù)后，燒蝕表面的粗糙度得以調(diào)節(jié)。

2 實驗步驟

該實驗分為實驗前玻璃樣片的制備清洗、PDMS的制備和成膜、步進電機設(shè)置和激光燒蝕以及實驗后數(shù)據(jù)的測量和分析。

（1）基片切割。將長方形的載玻片用玻璃刀切割成正方形，為后續(xù)勻膠過程做準備。選用對稱形狀，以利于旋涂均勻。

（2）基底清洗。①丙酮溶液清洗樣片，去除有機雜質(zhì)。②無水乙醇溶液清洗樣片，去除上一步殘留丙酮溶液。③去離子水沖洗去除上一步殘留乙醇分子。

（3）PDMS溶液配制。用液態(tài)聚合物和固化劑按照質(zhì)量比是10∶1的比例混合，由于聚合物粘稠，混合時間在15 min以上。用離心機在5 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心5 min除去氣泡，以避免后續(xù)成膜不均。

（4）成膜。調(diào)整勻膠機的前轉(zhuǎn)500 r/min，勻膠10 s，低速旋轉(zhuǎn)使膠鋪開。轉(zhuǎn)速2 500 r/min，勻膠30 s，高速旋轉(zhuǎn)使膠均勻平鋪。

（5）固化。成膜后放入培養(yǎng)皿中的玻璃樣片放在溫度65℃的烘箱中烘烤，2～3 h為宜。

（6）調(diào)節(jié)光路。實驗開始前，調(diào)整光屏位置在透鏡焦點處。保持光水平走向，通過透鏡的中心，達到最好的聚焦效果。

（7）激光燒蝕。樣片固定在接收屏上，通過步進電機控制接受屏的上下左右移動情況。電腦控制步進電機的掃描速度、掃描間隔等。同時控制激光器的光強，調(diào)控加工參數(shù)。

（8）性能測試。通過測量激光燒蝕所得的PDMS表面疏水效果，包括靜態(tài)特性（接觸角）和動態(tài)特性（滾動角）的大小，測得多組數(shù)據(jù)用于分析。

3 結(jié)果分析與討論

首式中：、以及分別代表固一氣、液一氣、固一液界面表面張力，θ為平衡接觸角。如圖1所示。

當接觸角大于90°時我們稱之為疏水材料，當接觸角大于150°時，稱之為超疏水材料[5]。由于制備的結(jié)構(gòu)表面疏水性能太優(yōu)良，水滴很難再獨立站立在結(jié)構(gòu)表面上，水滴剛一低落在上面便滾動走了，只能選取水滴從針頭中擠出但是沒脫離針頭的情況下進行接觸角測量。針頭對水滴不施加壓力時左接觸角154.68°，右接觸角158.83°，取平均值得接觸角為156.76°，當針頭對材料表面的水滴施加輕微壓力時，接觸角測得左接觸角為153.07°，右接觸角為153.91°，取平均值接觸角為153.49°。即使在額外施加壓力的情況下，水滴有稍微變成橢圓形，但是與平面的接觸面積仍然很小，為了平衡外力和表面張力，水滴選擇橫向拓展。水滴在氣膜的阻隔下，即使在外力作用下仍然很難進入到結(jié)構(gòu)底部。通過激光燒蝕制備的超疏水PDMS表面，小針對水滴不施加壓力的接觸角為156.76°，小針對水滴施加輕微壓力時，接觸角為153.49°，均大于150°滿足超疏水表面條件，說明該材料有著非常優(yōu)秀的疏水特性。

滾動角的定義為水滴滾落平面時，平面的臨界傾斜角。滾動角越小，水滴越容易從材料表面滾動，材料疏水特性越好。水滴從針頭中擠出后，剛接觸到結(jié)構(gòu)表面，便滾走。從圖中可以看出來，平面未做任何傾斜，只保持平整的姿態(tài)放在測試臺上。從圖中可以看出，不論是對于小體積水滴和大體積水滴，平面都表現(xiàn)出很小的滾動角，在2°以內(nèi)，以至于水滴剛一滴落便滾動走。可見，水滴與表面的粘附力微小，使水滴瞬間滾落，即表現(xiàn)出非常優(yōu)秀的疏水特性。當水滴在針頭上懸掛未脫離針頭時，緩慢降低針頭是水滴與平面接觸后，再提起針頭時，水滴能夠完好無損地脫離結(jié)構(gòu)表面。表現(xiàn)出很小的粘附力。即使是當增大水滴體積的時候，在重力作用下，水滴仍然能夠從平面上完好地脫離。

4 結(jié)語

現(xiàn)現(xiàn)階段制備超疏水表面材料的方法雖然有很多，但不同的制備方法在實驗條件、操作步驟、應用廣泛性方面等有著不同的局限性。筆者選用的利用激光燒蝕制備超疏水PDMS表面材料具備了以下幾個方面的優(yōu)勢：樣品疏水效果好，接觸角大，滾動角??；實驗條件容易達到，常溫、空氣中，不需要高溫高壓等條件；操作步驟簡單，激光燒蝕加工對軟件控制的執(zhí)行率高，獲得的加工結(jié)構(gòu)與理論設(shè)計幾乎完全吻合。

不斷調(diào)整和改進實驗過程中的參數(shù)控制，然后對得到的樣片進行靜態(tài)特性的測量和動態(tài)特性的觀察：得到最大接觸角為156.76°>150°，滿足超疏水要求；給停留在PDMS表面的水滴很小的應力，水滴立刻滾出材料表面，說明樣片的滾動角很??；說明通過激光燒蝕制備的PDMS表面具有良好的超疏水特性。

參考文獻

[1] 江雷.從自然到仿生的超疏水納米界面材料[J].化工進展，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.