專利名稱：超疏油性基材及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及非浸潤基材，具體涉及超疏油性基材及其形成方法。
背景技術(shù)：
目前人們對利用表面化學(xué)和表面織構(gòu)化開發(fā)非浸潤基材給予很大的關(guān)注。排斥水和/或有機流體(例如油)的表面可用于許多應(yīng)用，所述應(yīng)用涉及例如微流控技術(shù)、微機電系統(tǒng)(MEMS)、微分離、手持式設(shè)備、醫(yī)療器械、觸摸屏等。 基材的非浸潤特性通常根據(jù)置于基材上的小液滴的靜態(tài)接觸角分類。若液體為水，則當水的接觸角θ 小于90度時，基材視為親水性的，而當水的接觸角θ 大于90度時，基材視為疏水性的。對油是類似的，當油的接觸角Θ 小于90度時，基材視為親油性的，而當油的接觸角Θ co大于90度時，基材視為疏油性的?？稍诨纳袭a(chǎn)生表面粗糙度和形成微結(jié)構(gòu)，使其更具疏水性。此外，因為完全平坦的表面本性親油，所以人們需要利用糙化或微結(jié)構(gòu)化表面使基材具有疏油性。一類特殊的疏水性基材是超疏水性基材，它們的水接觸角Θ >150度。類似的，一類特殊的疏油性基材是超疏油性基材，它們的油接觸角era>i50度。已經(jīng)證明形成超疏油性基材是困難的，因為油和有機液體的表面張力較低。這導(dǎo)致所述液體侵入大部分類型的糙化或微結(jié)構(gòu)化基材表面的空隙中。遺憾的是，識別和形成使基材具有超疏油性的特殊化基材表面特征是一件耗時長、花費大的事情。

發(fā)明內(nèi)容
—方面，本發(fā)明是一種形成超疏油性表面的方法。所述方法包括提供一種具有表面的可激光燒蝕的基材，所述基材包含玻璃。所述方法還包括將激光束導(dǎo)向所述基材表面，使所述基材表面的至少一部分發(fā)生激光燒蝕，形成具有側(cè)壁且相互隔開的微柱的陣列，所述方法包括提供具有足夠能量的激光束，在側(cè)壁上形成不規(guī)則的粗糙表面，所述粗糙表面具有微米級和納米級凹角(re-entrant)特征,所述凹角特征在基材表面涂覆了低表面能涂層的情況下使基材表面具有超疏油性。所述方法還包括在基材表面上涂覆低表面能涂層。另一方面，本發(fā)明包括上述方法，所述方法還包括在激光燒蝕過程中，從基材表面被激光燒蝕的部分產(chǎn)生碎屑，使所述碎屑沉積并附連在微柱側(cè)壁上。另一方面，本發(fā)明包括上述一種或多種方法，所述方法還包括通過用激光輻射脈沖輻照基材表面來進行激光燒蝕。另一方面，本發(fā)明包括上述一種或多種方法，所述方法還包括用掃描鏡和F-Θ透鏡將激光脈沖導(dǎo)向基材表面。
另一方面，本發(fā)明包括上述一種或多種方法，所述方法還包括移動激光束和移動基材當中的至少一個步驟。另一方面，本發(fā)明包括上述一種或多種方法，其中微柱不是圓柱形的。另一方面，本發(fā)明包括上述一種或多種方法，其中超疏油性基材表面限定以下至少一種接觸角a)水滴的水接觸角θ ，使得115度彡9Cff ^ 180度；以及b)油滴的油接觸角Θ使得75度< Θ< 180度。另一方面,本發(fā)明包括上述一種或多種方法，其中微柱沒有懸突部(overhang)。另一方面，本發(fā)明包括上述一種或多種方法，所述方法還包括按一定圖案對基材表面進行激光燒蝕，在基材表面部分形成X-Y網(wǎng)格形式的凹槽。另一方面，本發(fā)明是一種將基材表面轉(zhuǎn)化為超疏油性基材表面的方法。所述方法包括提供具有基材表面的基材，所述基材由玻璃形成。所述方法還包括為對基材表面的至 少一部分進行激光燒蝕而選擇一種圖案，其中所述圖案對應(yīng)于微柱陣列，所述微柱陣列在基材表面涂覆了低表面能涂層的情況下不會使基材表面具有超疏油性。所述方法還包括按照選定的圖案對基材表面進行激光燒蝕，形成具有側(cè)壁的實際微柱陣列，同時還從被激光燒蝕的基材部分產(chǎn)生碎屑。所述方法還包括使所述碎屑沉積并附連在微柱上，形成具有側(cè)壁的實際微柱陣列，所述側(cè)壁具有不規(guī)則的粗糙表面，所述不規(guī)則的粗糙表面具有微米級和納米級凹角特征，所述凹角特征在基材表面涂覆了低表面能涂層的情況下使基材表面具有超疏油性。所述方法還包括在基材表面上涂覆低表面能涂層。另一方面，本發(fā)明包括上述表面轉(zhuǎn)化方法，其中所述基材表面限定了油滴的油接觸角Θ使得75度< Θ< 180度。另一方面，本發(fā)明包括上述一種或多種表面轉(zhuǎn)化方法，所述方法還包括通過用激光輻射脈沖輻照基材表面來進行激光燒蝕。另一方面，本發(fā)明包括上述一種或多種表面轉(zhuǎn)化方法，所述方法還包括以下至少一個步驟a)用掃描鏡和F- Θ透鏡在基板表面上掃描激光脈沖；以及b)移動基材。另一方面，本發(fā)明包括上述一種或多種表面轉(zhuǎn)化方法，其中所述低表面能涂層包含含氟聚合物和氟硅烷中的至少一種。另一方面，本發(fā)明包括上述一種或多種表面轉(zhuǎn)化方法，其中超疏油性基材表面還限定了水接觸角，使得115度< θ <180度。另一方面，本發(fā)明是一種超疏油性基材，其中所述基材具有表面并包含玻璃。所述超疏油性基材包括被激光燒蝕的基材部分，所述被激光燒蝕的基材部分包含在表面中形成、具有側(cè)壁并相互隔開的微柱的陣列。所述側(cè)壁因激光燒蝕而具有不規(guī)則的粗糙表面，所述不規(guī)則的粗糙表面具有微米級和納米級凹角特征，所述凹角特征在基材表面涂覆了低表面能涂層的情況下使基材表面具有超疏油性。所述超疏油性基材還包括基材表面上的低表面能涂層。另一方面，本發(fā)明是上述超疏油性基材，其中所述不規(guī)則的粗糙表面包含沉積并附連在側(cè)壁上的激光燒蝕碎屑。另一方面，本發(fā)明是上述超疏油性基材，其中超疏油性基材表面限定以下至少一種接觸角a)水滴的水接觸角Θ Cff,使得115度< Θ < 180度；以及b)油滴的油接觸角Θ c。，使得 75 度< θ ω < 180 度。
另一方面，本發(fā)明是上述超疏油性基材，其中所述低表面能涂層包含含氟聚合物和氟硅烷中的至少一種。另一方面，本發(fā)明是上述超疏油性基材，其中所述微米級和納米級凹角特征包括所述微柱側(cè)壁上的隆起和所述微柱側(cè)壁中的凹坑。應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述給出了本發(fā)明的實施方式，用來提供理解要求保護的本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發(fā)明的進一步的理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖以圖示形式說明了本發(fā)明的各種實施方式，并與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理和操作。一些附圖呈現(xiàn)了笛卡爾坐標作為參照。


圖I是具有光滑表面的示例性基材的截面特寫圖，所述基材上形成了液滴； 圖2是示例性基材的等軸測示意圖，其中不平坦的表面通過微柱陣列人工糙化；圖3A和3B是具有微柱的不例性基材的截面特與圖，顯不了文澤爾(Wenzel)狀態(tài)(圖3A)和卡西-巴克斯特(Cassie-Baxter)狀態(tài)(圖3B)的液滴；圖4A (水)和圖4B (油)以具有圖2所示的微柱陣列的基材為基礎(chǔ)，分別繪出了按照文澤爾和卡西-巴克斯特模型計算得到的接觸角θγ (度)與比例b/a之間的關(guān)系；圖5是類似于圖3A和3B的示例性基材的截面特寫圖，顯示了彎月形液體部分侵入柱間空隙，滲入深度為h;圖6繪出了復(fù)合狀態(tài)的自由能(左軸，虛線)與歸一化滲入深度h/H之間的關(guān)系，還繪出了油的相應(yīng)接觸角Θ (單位為度)(右軸，實線)與歸一化滲入深度之間的關(guān)系；圖7A和7B是圖2所示基材表面的截面特寫圖，其中圖7A中的液滴是水，圖7B中的液滴是油；圖8A-8C類似于圖7A，呈現(xiàn)了微柱為倒金字塔形的例子；圖9是本發(fā)明用來形成超疏油性基材的示例性激光燒蝕系統(tǒng)的示意圖；圖10呈現(xiàn)了以不同的步進距離在基材上掃描激光斑的三個例子(EX1、EX2和EX3)；圖11呈現(xiàn)了在基材中產(chǎn)生Y方向凹槽的光斑的示例性掃描圖案；圖12是微柱陣列的比較例的截面特寫圖；圖13是基材的特寫圖，其中激光燒蝕系統(tǒng)引導(dǎo)激光束在基材表面上掃描激光斑，開始在基材中形成凹槽；圖14A是通過激光燒蝕法在超疏油性基材中形成的實際微柱陣列的截面示意圖，說明實際微柱陣列的形式如何明顯偏離圖12中的理想化微柱陣列；圖14B類似于圖14A，顯示了在基材表面上增加低表面能涂層；圖15和圖16是俯看示例性超疏油性基材和微柱陣列的透視掃描共焦顯微鏡圖像，它們拍攝的放大倍數(shù)不同，其中微柱陣列通過用圖9所示的激光燒蝕系統(tǒng)進行的激光燒蝕形成；圖17A-17C是通過激光燒蝕形成的實際微柱的截面圖像，圖17A-圖17C顯示的放大倍數(shù)逐漸增大，呈現(xiàn)了所得到的具有微米級和納米級凹角特征的不規(guī)則粗糙表面；
圖18繪出了在超疏油性基材上測得的水(方塊)和油(圓圈)的接觸角(度)與特征尺寸(微米)之間的關(guān)系，所述超疏油性基材通過本發(fā)明的激光燒蝕法制備；以及圖19是示例性基材的俯視圖，所述基材包括至少一個利用激光燒蝕形成的超疏油性區(qū)域，還包括至少一個不是超疏油性的區(qū)域。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的各種實施方式，這些實施方式的例子在附圖中示出。只要有可能，在所有附圖中使用相同或類似的附圖標記來表示相同或類似的部分。在以下討論中，符號“ ”表示“約”。另外，術(shù)語“微柱”不一定表示微米級，而是表明微柱相對于液滴而言非常細小，它可以是納米級、微米級、毫米級、及其組合。接觸角圖I是具有光滑表面12的示例性基材10的截面特寫圖，所述基材上形成了液滴··20。液體20具有液體表面22。液體20可以是水或有機物質(zhì)如油。液體20與表面12形成接觸角Θ，所述接觸角依賴于基材的表面能和表面粗糙度。若表面12是完全光滑的，則接觸角Θ僅依賴于基材的表面能，所述靜態(tài)接觸角由三相線處的楊氏力平衡條件決定
權(quán)利要求
1.一種形成超疏油性表面的方法，所述方法包括 提供具有玻璃表面的可激光燒蝕基材； 將激光束導(dǎo)向所述基材表面，使所述基材表面的至少一部分發(fā)生激光燒蝕，形成具有側(cè)壁且相互隔開的微柱的陣列，其中所述激光束具有足夠的能量，在側(cè)壁上形成不規(guī)則的粗糙表面，所述粗糙表面具有微米級和納米級凹角特征，所述凹角特征在基材表面涂覆了低表面能涂層的情況下使基材表面具有超疏油性；以及在基材表面上涂覆低表面能涂層。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 在激光燒蝕的過程中自所述基材表面上被激光燒蝕的部分產(chǎn)生碎屑；以及 使所述碎屑沉積并附連在所述微柱側(cè)壁上。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法還包括通過用激光輻射脈沖輻照所述基材表面進行激光燒蝕。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 用掃描鏡和F- Θ透鏡將所述激光脈沖導(dǎo)向所述基材表面。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法還包括進行以下至少一個步驟 移動所述激光束；以及 移動所述基材。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述微柱不是圓柱形的。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述超疏油性基材表面限定以下至少一個參數(shù) 水滴的水接觸角Θ Cff,使得115度< Θ < 180度；以及 油滴的油接觸角Θ co,使得75度< θ ω < 180度。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述微柱不具有懸突部。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法還包括按照在所述基材表面部分形成X-Y凹槽網(wǎng)格的圖案對基材表面進行激光燒蝕。
10.一種將基材表面轉(zhuǎn)化為超疏油性基材表面的方法，所述方法包括 提供具有所述基材表面的基材，所述基材由玻璃形成； 為對基材表面的至少一部分進行激光燒蝕而選擇一種圖案，其中所述圖案對應(yīng)于理想的微柱陣列，所述微柱陣列在基材表面涂覆了低表面能涂層的情況下不會使基材表面具有超疏油性； 按照選定的圖案對所述基材表面進行激光燒蝕，形成具有側(cè)壁的實際微柱陣列，同時還從被激光燒蝕的基材部分產(chǎn)生碎屑； 使所述碎屑沉積并附連在微柱上，形成具有側(cè)壁的實際微柱陣列，所述側(cè)壁具有不規(guī)則的粗糙表面，所述不規(guī)則的粗糙表面具有微米級和納米級凹角特征，所述凹角特征在基材表面涂覆了低表面能涂層的情況下使基材表面具有超疏油性； 在基材表面上涂覆低表面能涂層。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述基材表面限定了油滴的油接觸角Θ C。，使得 75 度< θ ω < 180 度。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法還包括通過用激光輻射脈沖輻照所述基材表面進行激光燒蝕。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下至少一個步驟 用掃描鏡和F-Θ透鏡在所述基材表面上掃描所述激光脈沖；以及 移動所述基材。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述低表面能涂層包含含氟聚合物和氟硅烷中的至少一種。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述超疏油性基材表面還限定了水接觸角，使得115度彡180度。
16.—種超疏油性基材，所述超疏油性基材包含 具有表面的玻璃基材； 經(jīng)過激光燒蝕的基材部分，所述部分包含在表面中形成的相互隔開且具有側(cè)壁的微柱，所述側(cè)壁具有不規(guī)則粗糙表面，所述粗糙表面具有微米級和納米級凹角特征，所述特征在基材表面涂覆了低表面能涂層的情況下使所述基材表面具有超疏油性；以及 基材表面上的低表面能涂層。
17.如權(quán)利要求16所述的超疏油性基材，其特征在于，所述不規(guī)則粗糙表面包含沉積并附連在側(cè)壁上的激光燒蝕碎屑。
18.如權(quán)利要求16所述的超疏油性基材，其特征在于，所述超疏油性基材表面限定以下至少一個參數(shù) 水滴的水接觸角Θ Cff,使得115度< Θ < 180度；以及 油滴的油接觸角Θ co,使得75度< θ ω < 180度。
19.如權(quán)利要求16所述的超疏油性基材，其特征在于，所述低表面能涂層包含含氟聚合物和氟硅烷中的至少一種。
20.如權(quán)利要求16所述的超疏油性基材，其特征在于，所述微米級和納米級凹角特征包括所述微柱側(cè)壁上的隆起和所述微柱側(cè)壁中的凹坑。
全文摘要
本發(fā)明公開了超疏油性基材(110)及其形成方法。所述方法包括提供包含玻璃的可激光燒蝕的基材(10)，將激光束(122)導(dǎo)向基材表面(12)，對其至少一部分進行激光燒蝕，形成相互隔開且具有側(cè)壁(233)的微柱(232)。為激光束提供足夠的能量，在所述側(cè)壁上形成具有微米級和納米級凹角特征的不規(guī)則粗糙表面，所述特征在基材表面涂覆了低表面能涂層(246)的情況下使所述基材表面具有超疏油性。
文檔編號C03C23/00GK102906045SQ201180025078
公開日2013年1月30日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者P·馬宗達, R·S·瓦格納 申請人:康寧股份有限公司