一种多尺度结构超疏水性能表面的制备方法
阅读说明：本技术 一种多尺度结构超疏水性能表面的制备方法 (Preparation method of multi-scale structure super-hydrophobic surface ) 是由 王朝晖 李园 郑腾飞 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有多尺度结构的超疏水表面的制备方法,具体制作过程如下：首先在硅基底上利用厚胶光刻的方法制作微米尺度的栅格图形,利用刻蚀方法在硅基底上通过光刻的栅格图形制造沟槽阵列；然后在沟槽阵列上用激光超光微细加工技术制造出更小的纳米尺度的沟槽阵列；之后以带有微纳米结构的硅基底为模具,用热压印的方法翻模制造FEP结构。本发明制备的FEP结构是由带有微纳米结构的硅基底为模具翻模制造的,带有相应的多尺度结构,如附图所示,在应用中表现出超疏水性,并能相比普通微结构的超疏水表面保持更长时间的C-B状态稳定性,从而长时间维持超疏水性能,表现出减阻,自清洁等功能。(The invention discloses a preparation method of a super-hydrophobic surface with a multi-scale structure, which comprises the following specific preparation processes: firstly, manufacturing a micron-scale grid pattern on a silicon substrate by using a thick-film photoetching method, and manufacturing a groove array on the silicon substrate by using the photoetching grid pattern by using an etching method; then, manufacturing a smaller nano-scale groove array on the groove array by using a laser ultra-light micro-machining technology; and then, the FEP structure is manufactured by using a silicon substrate with a micro-nano structure as a mould and performing mould turnover by a hot-stamping method. The FEP structure prepared by the invention is manufactured by using a silicon substrate with a micro-nano structure as a mould through turnover, has a corresponding multi-scale structure, shows super-hydrophobicity in application as shown in the attached drawing, and can keep the stability of a C-B state for a longer time compared with a super-hydrophobic surface of a common microstructure, thereby maintaining the super-hydrophobic performance for a long time, and showing the functions of drag reduction, self-cleaning and the like.)
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种微纳多尺度结构超疏水性能表面的制备方法。
背景技术
由于超疏水结构在表面清洁，微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用，成为近年来研究的热点之一。所谓超疏水结构的超疏水性原理主要是使液体在微结构表面处于Cassie-Baxter状态，此时液面与固体表面间存在气体层及三项界面，液滴表观接触角很大，并且滚动角很小，液滴很容易从表面滚落，因而具有自净，减阻等功能。然而复杂水环境中，C-B状态很容易被破坏，失去表面本身的超疏水性和表现出的功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有多尺度结构的超疏水表面的制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多尺度结构超疏水性能表面的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在硅片基底上旋涂一层正性光刻胶，利用带有透光栅格阵列的掩膜板进行曝光；
步骤2，将步骤1曝光后得到的结构放入显影液中进行显影，得到带有栅格型凸起的光刻胶阵列的硅片基底；
步骤3，将步骤2得到的硅片基底在氧等离子干法去胶机内进行处理，得到去胶干净的硅片基底；
步骤4，将步骤3得到的硅片基底用湿法刻蚀的方法处理，得到带有栅格型凸起阵列的硅片基底；
步骤5，将步骤4得到的硅片基底用丙酮处理，去除表面光刻胶层，并用PECVD系统做疏水镀层C4F8沉积；
步骤6，用柔性电板超光激光制造设备在步骤5得到的硅片基底的图形区上加工纳米尺度的沟槽阵列；
步骤7，以步骤6得到的硅片为模具，用热压印的方法，将硅片上的图形翻模到FEP上，得到具有多尺度结构的超疏水表面。
进一步的，步骤1中在旋凃光刻胶前，先旋凃一层HMDS。
进一步的，步骤1中的光刻胶选用AZP4620正性光刻胶，胶厚为8μm。
进一步的，步骤2中得到的栅格型凸起阵列的宽度为40μm，凹下处宽度为10μm。
进一步的，步骤3使用氧等离子体干法去胶机以350W的工作功率处理5min。
进一步的，步骤4中刻蚀的沟槽深度为50μm。
进一步的，步骤5中C4F8沉积处理时间为90s。
进一步的，步骤6中激光超光微细加工的沟槽深度为100nm，宽度为200nm。
进一步的，步骤7中热压印加工的施加压力为0.018MPa,加工温度为268℃，加工时间5min。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明的制备方法中加工微米结构阵列的微纳加工方法和加工纳米结构的激光超光微细加工技术都非常成熟，因而降低了制备多尺度结构超疏水表面的难度，提高了实现的可能性；由于光刻过程中的掩膜板和热压印过程中的模具可以重复多次使用，降低了加工成本，为大规模生产提供了可能；由于FEP为柔性疏水材料，因而可以把本超疏水表面应用在各种不同形状的结构上。
本发明制备的超疏水表面具有微米和纳米两级尺度的沟槽结构，微米尺度的结构保证了本表面具有有效的润湿特性，而纳米结构的存在控制使润湿转变更难发生，延长了超疏水表面的使用寿命。
综上所述，本发明用微纳加工技术，激光超光微细加工技术和热压印技术结合，制备了具有多尺度结构的超疏水表面，多尺度结构的作用是增加气体驻留时间，保持C-B状态稳定性，延长超疏水表面的使用寿命。这是以前的单尺度超疏水结构表面所不具有的性能。
附图说明
图1是本发明步骤1中使用的带有栅格透光阵列的掩膜板示意图；
图2是本发明步骤1中使用的带有栅格透光阵列的掩膜板的细节透光结构示意图，区域是图1方框区域，图中黑色是透光区域；
图3是本发明步骤3中去胶干净的，刻蚀加工出的带有微米沟槽结构的硅片截面示意图；
图4是本发明步骤6中在微米结构表面上用超光激光微细加工出了纳米结构的硅片截面示意图；
图5是本发明步骤7中用热压印翻模得到带有多尺度结构的FEP截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图5，一种多尺度结构超疏水性能表面的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在硅片基底上旋涂一层正性光刻胶，利用带有透光栅格阵列的掩膜板进行曝光；
步骤2，将步骤1曝光后得到的结构放入显影液中进行显影，得到带有栅格型凸起的光刻胶阵列的硅片基底；
步骤3，将步骤2得到的硅片基底在氧等离子干法去胶机内进行处理，得到去胶干净的硅片基底；
步骤4，将步骤3得到的硅片基底用湿法刻蚀的方法处理，得到带有栅格型凸起阵列的硅片基底；
步骤5，将步骤4得到的硅片基底用丙酮处理，去除表面光刻胶层，并用PECVD系统做疏水镀层C4F8沉积；
步骤6，用柔性电板超光激光制造设备在步骤5得到的硅片基底的图形区上加工纳米尺度的沟槽阵列；
步骤7，以步骤6得到的硅片为模具，用热压印的方法，将硅片上的图形翻模到FEP上，得到具有多尺度结构的超疏水表面。
步骤1中在旋凃光刻胶前，先旋凃一层HMDS。
步骤1中的光刻胶选用AZP4620正性光刻胶，胶厚为8μm。
步骤2中得到的栅格型凸起阵列的宽度为40μm，凹下处宽度为10μm。
步骤3使用氧等离子体干法去胶机以350W的工作功率处理5min。
步骤4中刻蚀的沟槽深度为50μm。
步骤5中C4F8沉积处理时间为90s。
步骤6中激光超光微细加工的沟槽深度为100nm，宽度为200nm。
步骤7中热压印加工的施加压力为0.018MPa,加工温度为268℃，加工时间5min。
实施例：
本发明的具体实施步骤如下：
1)先在硅片基底上旋涂一层HDMS，溶液用量为1ml，然后旋凃一层AZP4620光刻胶，胶厚为8μm，然后用带有栅格透光阵列的掩膜板进行曝光，其中带有栅格透光阵列的掩膜板的透光区宽度为10μm，相邻两栅格的间距为40μm，掩膜板形状及图形分布如图1所示，图形区细节如图2所示，其中阴影部分为透光区。
2)将步骤1)曝光后得到的结构放入显影液中进行显影，显影后，因掩膜板遮盖而未受光的区域保留，曝光的部分被洗掉，最终，得到带有光刻胶形成的栅格形凸起阵列的硅片基底。
3)将步骤2)显影后得到的硅片放入氧等离子干法去胶机，工作程序中工作功率设定为350W，工作时间设定为300s，开启冷水机与真空泵，运行一次处理程序，得到的硅片及上面的结构截面如图3所示。
4)将步骤3)处理完成的硅片基底在ICP刻蚀机中做湿法刻蚀处理，刻蚀深度为50μm，只有因光刻胶遮盖而受到保护的区域未被处理，得到具有深度为50μm，宽度为40μm，壁厚度为10μm的沟槽阵列的硅片基底。
5)将步骤4)得到的硅片基底用丙酮浸泡并摇晃处理2min，去除表面涂覆的光刻胶层，然后将硅片在等离子增强型化学气相沉积(PECVD)系统中进行C4F8沉积处理90s，得到带有疏水涂层的具有沟槽阵列的硅片基底。
6)在步骤5)得到的硅片基底具有沟槽阵列的区域上，用柔性电板超光激光制造设备加工一层深度为100nm，宽度为200nm，加工的区域覆盖整个光刻的图形区。加工的参数设定为：功率比率68％，扫描速度300μm/s，扫描间隔3200μm，加工得到的硅片截面如图4所示。
7)以步骤6)得到的硅片为模具，用热压印的方法，将硅片上的图形翻模到FEP上；即得到具有多尺度结构的超疏水表面，截面如图5所示。