聚碳酸酯基片超疏水表面的制备与表征

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学 作者:郑正龙

  超疏水表面改性可以提高聚碳酸酯(PC)的实用性能。采用氧气等离子体刻蚀的方法对PC基片表面进行处理结合表面沉积疏水性涂层制备了超疏水表面。利用原子力显微镜、X射线光电子能谱仪和傅里叶变换红外光谱仪对制备过程中PC基片的表面形貌结构和表面化学成分的变化进行了表征。超疏水PC基片表面进行磨损实验后,发现磨损基片表面丧失了超疏水的特性。分析了磨损后PC基片的表面形貌和表面化学组成,表明失效的原因与基片表面形貌以及疏水性涂层的破坏有关。

  聚碳酸酯(PC)是一种无色、无味、无毒、综合性能优良的热塑性工程塑料,具有突出的抗冲击性、耐蠕变性能,较高的拉伸强度,较强的耐热性和耐寒性,优良的介电性和尺寸稳定性。抛光后的PC板材具有良好的光学性能,透光率可达90%、雾度为0.7%,因此被广泛用来制作显示屏、飞机座舱透明件、镜头等器件。但这些光学器件很容易受到指纹、灰尘等杂质的污染。将PC进行表面超疏水改性,可以提升其防水防污、自清洁性能,这将大大提高PC在实际中的应用能力。

  固体表面的润湿性由固体的表面形貌和表面能决定,固体表面与水的接触角θ是用来描述固体表面润湿行为的直观判据,超疏水表面一般是指与水的接触角大于150°的表面。在固体表面引入含氟(F)官能团可以有效降低表面能,提高液体接触角。这是因为氟有很小的原子半径和强烈的电负性,能产生很低的表面能。提高聚合物的F-C比例可以减小聚合物的表面能,固体表面的自由能越低,疏水性能就越强。由-CF3基团组成的单分子膜的表面张力仅为0.6×10-2N/m,在平面上与水的接触角接近120°,然而即使具有最低表面能的光滑平面,其与水接触角也仅有119°。研究发现,固体表面的浸润性不但受表面化学成分影响,而且还受表面粗糙度控制。根据Cassie-Baxter公式cosθc=f(1+cosθ)-1(θc为表观接触角;f为表面的固态相分率)推算,形成具有一定粗糙度的表面形貌结构,降低水滴与固体表面的实际接触面积,将会降低水与固体表面的粘附性,从而增加表面疏水性能。因为在Cassie-Baxter模型中,表观接触角是各个接触相间贡献的总和,水滴是悬浮于固体表面形貌的凸起之上的,之间密封着空气,因而该模型又被称为空气垫模型,其原理图如图1所示。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为聚合物材料与其他材料相比,耐热性不如其他材料,因而要想制备PC材料的超疏水表面必须在低温环境下进行。等离子体处理恰好可以提供这样一个低温环境,因为所使用的等离子体是通过辉光放电产生的低温等离子体,低温等离子体属于非平衡体系,其中中性粒子及离子的温度远低于电子的温度,一般为300~500K。因此本文将以PC为基片,通过氧气等离子体刻蚀和表面氟化处理来获得PC基片的超疏水表面,并从表面形貌结构和表面化学组成两方面来分析PC基片超疏水化的过程以及磨损失效的原因。

Cassie-Baxter模型

图1 Cassie-Baxter模型

1、实验

  1.1、PC基片超疏水表面的制备

  实验用PC板为LEXAN的光学级双酚A型板材,板材切割成2cm×2cm的小块基片,经分析纯无水乙醇擦洗并用高纯氮气吹干后,放入80℃烘箱中烘30min,然后取出放入玻璃皿中待用。制备过程首先利用氧气等离子体刻蚀来处理PC基片以改变PC基片的表面形貌,而后将处理好的PC基片及时浸涂在盛有DC2634溶液的玻璃皿中进行表面氟化处理,以减小PC基片的表面能等离子体刻蚀设备是由中国科学院微电子研究所生产的ICP-98A型高密度等离子体刻蚀机。它由一组大功率的射频激励电源通过感应耦合在反应室内产生高密度等离子体,而由另一组功率较小的偏压电源引导离子垂直于被刻蚀物体运动,从而达到各向异性和高速低损伤刻蚀的目的。将PC基片放入真空室,当真空室的真空度抽至1×10-3 Pa以下时,充入氧气,调整流量为30mL/min(标准状态)。然后调节真空室压强为0.8Pa时开始刻蚀,刻蚀功率为100W,时间为5min。

  DC2634溶液由美国道康宁公司生产,溶液的浓度为0.1%的固体含量。DC2634溶液中的活性聚合物是烷基硅氧烷功能性全氟聚醚(PFPE)杂化聚合物,具有含氟聚合物的疏油和低摩擦系数的特性,也具有硅氧烷的疏水和耐久特性。PC基片浸涂在DC2634溶液中3min即可拿出,可在室温下自然干燥8h,或在50℃和50%的相对湿度下干燥1h。

  1.2、PC基片超疏水表面的磨损实验

  实验依据GB1320-88的要求,采用手持式擦拭具,橡皮摩擦头外裹两层无尘纸保持49N的压力对PC基片超疏水表面进行摩擦,擦拭具与超疏水表面垂直,顺着同一轨迹往复擦拭,然后从表面形貌和表面化学组成两方面来分析擦拭前后PC基片表面所发生的变化。所用的无尘纸由中山科利宏防静电净化有限公司生产,型号是WIP-0609系列。

  1.3、检测仪器

  PC基片的表面化学组成和化学结构通过美国Thermo公司生产,型号为ESCALAB 250的X射线光电子能谱(XPS)仪和美国Thermonicolet公司生产的nicolet67型全反射傅里叶变换红外光谱仪(ATRFTIR)表征。PC基片的表面形貌结构通过美国Veeco公司的D3100型原子力显微镜(AFM)来检测。PC基片表面与水的接触角采用德国Dataphysics公司生产的OCA20型接触角测量仪测量,测量温度为23℃,测量时在PC基片表面均匀取5个点测试。将PC基片水平放置,滴入液滴大小固定为3μL的工作液滴,随即进行高清照相,在所得的图形上用自动测量系统分别测量液滴的左接触角、右接触角,取平均值即为该点接触角值。

4、结论

  通过氧气等离子体刻蚀和浸涂DC2634溶液成功获得了PC基片的超疏水表面。通过AFM、FTIR和XPS对制备过程中PC基片的表面结构和表面化学成分的表征说明氧气等离子体刻蚀是为了形成许多柱状突起的表面形貌以提高基片表面的粗糙度并引入包含大量-OH的亲水性基团。浸涂DC2634溶液是为了沉积具有大量含F疏水官能团的纳米层薄膜以降低PC基片的表面能,从而使PC基片具有超疏水性能。经过磨损测试后,PC表面的含F量下降,超疏水特性丧失,说明疏水性纳米层薄膜受到破坏。通过AFM,FTIR,XPS的综合分析,失效的原和PC基片表面柱状突起的消失以及表面疏水性纳米层薄膜的破坏有关。因此,制备具有一定机械耐久性的纳米结构是超疏水结构实用化的重要方向。

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