基于共混聚合物相分离制备高透明超疏液表面

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近年来,超疏液表面在流体减阻、高清显示设备、生物医药器件等领域表现出巨大的应用潜力。特别是在光学镜片、交互系统等应用领域中,超疏液性能,即同时对多种液体具有拒液性,已成为一个重要且具有挑战性的指标。目前对超疏液表面的形成机理研究已趋于成熟,主要可由提高表面粗糙度或构建表面凹角结构来实现。但目前已有的大部分粗糙和凹角结构表面仅可针对水等高表面张力的液体实现超疏液性能,而对于油酸、十六烷等低表面张力的液体则不再适用,从而限制了其在真实场景中的应用空间。另一方面,在光电器件、可穿戴设备等与显示相关的应用领域中,人们对超疏液表面的透明度也提出了更高的要求。而表面结构化往往会带来透明度的牺牲,特别是当引入有序微纳米结构时,将会给表面带来极强的虹彩效应从而限制了超疏液表面在自清洁透镜、透明显示设备上的应用。此外,目前超疏液表面的制备方法往往效率较低且成品面积较小难以投入实际的应用。基于此,如何简单高效、大面积地制备同时兼具透明度与疏液性能的新型功能表面已成为了人们急需攻克的难题。本文开发了一种基于无掩模共混聚合物相分离纳米图案化技术制备大面积的超疏液高透明玻璃表面的方法。共混聚合物相分离纳米图案化技术是一种简单高效且低成本的无掩膜图案形成方法,并且其可在多种衬底如玻璃、硅片、PET上快速实现大面积的图案制备。此外,由此法得到的纳米图案具有微观无序、宏观均匀的特点,因此可以巧妙地消除由微观有序结构带来的虹彩效应。并且根据陷光效应,合适尺寸的纳米结构的引入也可带来减反增透的效果,从而进一步拓宽超疏液表面在光学领域的应用。另一方面,无论是表面的疏液性能还是光学性能,都对表面引入结构的参数变化有着灵敏的反应。共混聚合物相分离法则可以通过对相分离参数的简单调整来实现对纳米结构的精准调控。本文选用的共混聚合物相分离体系为聚苯乙烯/聚苯基倍半硅氧烷(PS/PPSQ)体系。采用简单快捷的旋转涂膜方式即可完成两相分离,而后利用PS与PPSQ对氧气等离子体的高刻蚀选择比去除连续的PS相而留下了分散的PPSQ纳米柱。此外,我们引入了SU-8胶层作为结构传递层,因SU-8和PPSQ抗O2等离子体刻蚀能力的差异,无需借助任何其他复杂的加工方法,就可利用在刻蚀过程中产生的横向刻蚀效应获得天然的由PPSQ作为柱顶、SU-8作为柱身的T状无序纳米柱结构。而“T”字状的悬垂结构对超疏液性能的获得是至关重要的。通过探究纳米柱占空比、高度这两个关键因素对超疏液和光学性能的影响,我们成功制备了具有超疏液性(水、丙三醇、异丙醇、乙二醇的静态接触角分别为160°、162°、154°、151°)以及宽谱增透性能(可见光透射率达93.3%)的大面积(约5x5cm)玻璃表面。另一方面,为了进一步研究微纳结构的引入对表面疏液性能的影响,本文借助共混聚合物相分离技术结合微纳加工技术制备了微米尺度和纳米尺度的硅孔以探究孔洞结构在超疏液表面的应用潜力。并在纳米硅孔结构上成功仿制了大自然中的猪笼草结构,其具有超疏水(水静态接触角155°)、高疏油(油酸静态接触角142°)以及较优的自清洁性能。
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