[发明专利]一种硅基底超疏水表面及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种基底超疏水表面及其制备方法与应用。本发明先采用聚焦的飞秒激光对淹没于水中的基底表面进行处理以形成深亚波长数量级的平行于激光偏振方向的表面周期纳米结构，从而得到大面积均匀分布的超亲水表面，再将超亲水表面干燥后采用聚二甲基硅氧烷进行处理以使其由超亲水转化为超疏水，所得的基底超疏水表面可应用于防水、防雾、减阻、自清洁、微流控、油水分离、雾水收集等领域。本发明所采用的PDMS热处理技术，不仅原料安全无毒，而且操作简单，处理时间短，材料节省，不需专项配套设施，对操作人员的专业要求也不高。

技术领域

本发明涉及光、电、计算机和材料科学一体化的交叉领域，具体涉及一种基底超疏水表面及其制备方法与应用。

背景技术

材料的表面润湿性(或浸润性)主要由材料的表面化学组分和微观几何形貌共同决定。制备超疏水表面的两种途径，一种是在疏水材料表面构建粗糙的微纳结构，另一种是在粗糙表面上用低表面能的物质修饰，从而降低表面自由能。材料表面形成微纳结构时，液滴与固体表面的接触态模型会发生改变，由理想光滑固体表面的Young氏态转变为粗糙固体表面的Wenzel态或Cassie/Baxter态，材料的表面润湿性相应改变。改变材料的表面化学组分可以改变材料的表面能，表面能越低，材料表面越疏水。构建超疏水表面的常见方式有涂层法、喷雾法、模板法、光刻法、自组装法、电化学法、化学腐蚀法、等离子刻蚀法等。常见的表面改性处理方法有气相沉积法(化学气体或蒸汽在基质表面反应合成涂层或纳米材料的方法)、化学接枝法(利用材料表面的反应基团与被接枝的单体或大分子链发生化学反应而实现表面接枝)等。常见的能实现表面改性的低表面能试剂为氟硅烷(fluoroalkylsilane)和全氢聚硅氮烷(Perhydropolysilazane,PHPS)等，氟硅烷常用的有1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltriethoxysilane，PFDTES)和1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷(1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltrimethoxysilane)等，这些试剂购买及使用流程相对复杂，化学惰性较差，价格昂贵，且氟硅烷有毒性，需使用专项设备，且这些设备较为昂贵，对操作人员的专业要求较高。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基底超疏水表面及其制备方法与应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种基底超疏水表面的制备方法，其包括以下步骤：

(1)采用聚焦的飞秒激光在基底表面诱导出深亚波长数量级的平行于激光偏振方向的表面周期纳米结构，从而得到超亲水表面，其中，基底淹没于水中，所述表面周期纳米结构还具有纳米突起；

(2)将所述超亲水表面干燥后采用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)进行处理以在所述超亲水表面上形成聚二甲基硅氧烷膜，即得所述基底超疏水表面；

其中，所述基底的材料为硅。

亚波长数量级指的是纳米条纹结构周期与入射激光波长之比在0.4-1之间，且不包括0.4，而深亚波长数量级指的是纳米条纹结构周期与入射波长之比小于等于0.4。所述制备方法先通过飞秒激光微纳米加工技术诱导水中的基底表面形成平行于激光偏振方向的表面周期纳米结构，该结构与常见的飞秒激光微纳米加工技术诱导空气中的基底所形成的结构(亚波长数量级的垂直于激光偏振方向的表面周期结构)完全不同，因此，可以通过这一方法实现纳米结构分布的人为调控；之后采用PDMS对得到的超亲水表面进行处理，在不改变表面纳米结构形貌的基础上，实现基底表面的改性，使其由超亲水转化为超疏水。