[发明专利]一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及构建微纳结构的方法，具体而言为涉及一种通过表面复制在聚丙烯表面快速构建微纳结构的方法。

背景技术

超疏水材料是一类特殊的低表面能材料，其水接触角大于150°，并且水接触角滞后常小于5°，具有防水、防雾、防雪、防污染、抗粘连、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等特点，在国防、工农业生产和日常生活中有着广泛的应用，通过设计不同结构及物理、化学特征的表面层，可以使固体材料获得超疏水特性；低的表面自由能和合适的表面微细结构是固体表面产生超疏水性的两个前提条件，通过采用疏水材料作基体，或使用低表面能物质对固体表面进行修饰，很容易降低材料表面的自由能，因此超疏水表面制备技术的关键就在于构建合适的表面微细结构；目前，文献报道的主要超疏水表面制备技术有：机械加工法、微加工法、激光刻蚀法、等离子体刻蚀法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学方法、溶胶-凝胶方法、聚合物溶液浇注法、静电纺纱法、聚电解质交替沉积法、纳米管（棒）阵列法、添加颗粒填料的聚合物溶液涂层法、采用多孔材料作基体等。

然而，上述这些方法目前还存在着各种问题，主要包括：

1）机械稳定性问题。超疏水表面上的粗糙结构通常比较脆弱，容易因加工和使用过程中的冲击、摩擦等机械作用而受到损坏，因此，制备具有高机械强度的超疏水表面是一项具有挑战性的课题；

2）老化问题。当超疏水表面持久暴露在外界环境中时，环境中的油性污染物可能粘附并逐渐填充在表面的粗糙结构中，造成超疏水性的逐渐下降甚至消失，而对这种油性污染物的清洗将会非常困难，因为清洗过程中的机械作用往往容易导致表面微细结构的破坏。利用光催化作用将有机污染物分解，可以提高超疏水表面的耐久性；

3）制备成本问题。现有超疏水表面制备技术或所用原料特殊，或加工设备昂贵，或操作过程复杂而难以控制，因此需要通过制备工艺的优化和简化以及制备方法的创新来降低制备的成本。

因此，迫切需要提出一种环保、高效、复制质量高的表面微纳结构构建方法。

发明内容

针对上述问题，本发明采用价格相对低廉的疏水材料聚丙烯为原料，以实现低成本制备超疏水材料。

本发明的发明原理是： 一种在聚丙烯表面构建微纳结构的方法，利用聚丙烯在加热后表面局部熔化，在压力作用下具有良好流动性的特点，采用滚筒形模具滚压，把模具表面的微纳尺度构造复制到聚丙烯表面，从而实现聚丙烯表面快速构建微纳结构。

本发明提出的聚丙烯表面构建微纳结构的方法，其特征在于：通过加热装置，使聚丙烯材料表面温度达到160~175℃，加热1~3s使其表面1~6μm厚度范围内处于熔化状态，在400~1000Pa的压强作用下使处于室温的滚筒形模具，以滚筒面碾压的形式作用在加热好的聚丙烯表面上，并使聚丙烯表面发生微区塑性变形，然后通过模具的冷却和滚动使模具与已压制好的聚丙烯表面分离，并在空气中对分离后的模具表面进一步冷却，从而实现聚丙烯表面快速构建微纳结构。

所述的聚丙烯表面，是指聚丙烯膜、聚丙烯块体材料或者聚丙烯棒材的表面。

所述加热装置，是通过电阻加热元件加热并采用温度控制系统控制加热温度和速度的装置，该装置位于滚筒形模具的前方，与被加热表面的垂直距离为1~2mm。

所述的滚筒形模具，是指采用铝合金或不锈钢制作的筒状模具，筒的表面具有通过激光加工、微蚀刻方法制作的微纳尺度构造，在滚筒表面还带有连续排气凹槽，保证复制加工过程中聚丙烯表面的气体顺利排出，所述滚筒形模具的直径为20～35mm。

所述加热装置和滚筒形模具，在复制加工过程中以同样的水平移动速度先后从待加工的聚丙烯表面水平移动，加热装置与滚筒形模具之间的水平间隙为2~5mm；加热装置与滚筒形模具的水平移动速度为20～50mm/s，由速度控制系统控制。

本发明具有如下优点：

1、工艺温度低，操作简便；

2、表面复制效果好，生产成本低；

3、生产过程效率高，易于实现自动化。

总之，通过上述方法可以成功在聚丙烯表面快速构建各种微纳结构。

附图说明

图1 构建微纳结构装置示意图；

1 聚丙烯材料  2 加热装置  3 滚筒形模具  4 温度控制系统  5 速度控制系统

图2聚丙烯表面的接触角

（a）复制加工前；（b）复制加工后。

具体实施方式