專利名稱：一種在聚丙烯表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，具體而言為涉及一種通過(guò)表面復(fù)制在聚丙烯表 面快速構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
超疏水材料是一類特殊的低表面能材料，其水接觸角大于150°，并且水接觸角 滯后常小于5°，具有防水、防霧、防雪、防污染、抗粘連、抗氧化、防腐蝕和自清潔以及防止 電流傳導(dǎo)等特點(diǎn)，在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，通過(guò)設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)及 物理、化學(xué)特征的表面層，可以使固體材料獲得超疏水特性；低的表面自由能和合適的表面 微細(xì)結(jié)構(gòu)是固體表面產(chǎn)生超疏水性的兩個(gè)前提條件，通過(guò)采用疏水材料作基體，或使用低 表面能物質(zhì)對(duì)固體表面進(jìn)行修飾，很容易降低材料表面的自由能，因此超疏水表面制備技 術(shù)的關(guān)鍵就在于構(gòu)建合適的表面微細(xì)結(jié)構(gòu)；目前，文獻(xiàn)報(bào)道的主要超疏水表面制備技術(shù)有 機(jī)械加工法、微加工法、激光刻蝕法、等離子體刻蝕法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、 電化學(xué)方法、溶膠-凝膠方法、聚合物溶液澆注法、靜電紡紗法、聚電解質(zhì)交替沉積法、納米 管(棒)陣列法、添加顆粒填料的聚合物溶液涂層法、采用多孔材料作基體等。然而，上述這些方法目前還存在著各種問(wèn)題，主要包括
1)機(jī)械穩(wěn)定性問(wèn)題。超疏水表面上的粗糙結(jié)構(gòu)通常比較脆弱，容易因加工和使用過(guò)程 中的沖擊、摩擦等機(jī)械作用而受到損壞，因此，制備具有高機(jī)械強(qiáng)度的超疏水表面是一項(xiàng)具 有挑戰(zhàn)性的課題；
2)老化問(wèn)題。當(dāng)超疏水表面持久暴露在外界環(huán)境中時(shí)，環(huán)境中的油性污染物可能粘附 并逐漸填充在表面的粗糙結(jié)構(gòu)中，造成超疏水性的逐漸下降甚至消失，而對(duì)這種油性污染 物的清洗將會(huì)非常困難，因?yàn)榍逑催^(guò)程中的機(jī)械作用往往容易導(dǎo)致表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的破壞。 利用光催化作用將有機(jī)污染物分解，可以提高超疏水表面的耐久性；
3)制備成本問(wèn)題?，F(xiàn)有超疏水表面制備技術(shù)或所用原料特殊，或加工設(shè)備昂貴，或操作 過(guò)程復(fù)雜而難以控制，因此需要通過(guò)制備工藝的優(yōu)化和簡(jiǎn)化以及制備方法的創(chuàng)新來(lái)降低制 備的成本。因此，迫切需要提出一種環(huán)保、高效、復(fù)制質(zhì)量高的表面微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明采用價(jià)格相對(duì)低廉的疏水材料聚丙烯為原料，以實(shí)現(xiàn)低成 本制備超疏水材料。本發(fā)明的發(fā)明原理是一種在聚丙烯表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，利用聚丙烯在 加熱后表面局部熔化，在壓力作用下具有良好流動(dòng)性的特點(diǎn)，采用滾筒形模具滾壓，把模具 表面的微納尺度構(gòu)造復(fù)制到聚丙烯表面，從而實(shí)現(xiàn)聚丙烯表面快速構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的聚丙烯表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于通過(guò)加熱裝置，使聚 丙烯材料表面溫度達(dá)到16(T175°C，加熱廣3s使其表面廣6 μ m厚度范圍內(nèi)處于熔化狀態(tài)，在40(Tl000Pa的壓強(qiáng)作用下使處于室溫的滾筒形模具，以滾筒面碾壓的形式作用在加熱 好的聚丙烯表面上，并使聚丙烯表面發(fā)生微區(qū)塑性變形，然后通過(guò)模具的冷卻和滾動(dòng)使模 具與已壓制好的聚丙烯表面分離，并在空氣中對(duì)分離后的模具表面進(jìn)一步冷卻，從而實(shí)現(xiàn) 聚丙烯表面快速構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)。所述的聚丙烯表面，是指聚丙烯膜、聚丙烯塊體材料或者聚丙烯棒材的表面。所述加熱裝置，是通過(guò)電阻加熱元件加熱并采用溫度控制系統(tǒng)控制加熱溫度和速 度的裝置，該裝置位于滾筒形模具的前方，與被加熱表面的垂直距離為廣2mm。所述的滾筒形模具，是指采用鋁合金或不銹鋼制作的筒狀模具，筒的表面具有通 過(guò)激光加工、微蝕刻方法制作的微納尺度構(gòu)造，在滾筒表面還帶有連續(xù)排氣凹槽，保證復(fù)制 加工過(guò)程中聚丙烯表面的氣體順利排出，所述滾筒形模具的直徑為20 35mm。所述加熱裝置和滾筒形模具，在復(fù)制加工過(guò)程中以同樣的水平移動(dòng)速度先后從待 加工的聚丙烯表面水平移動(dòng)，加熱裝置與滾筒形模具之間的水平間隙為2飛mm ；加熱裝置 與滾筒形模具的水平移動(dòng)速度為20 50mm/s，由速度控制系統(tǒng)控制。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、工藝溫度低，操作簡(jiǎn)便；
2、表面復(fù)制效果好，生產(chǎn)成本低；
3、生產(chǎn)過(guò)程效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。總之，通過(guò)上述方法可以成功在聚丙烯表面快速構(gòu)建各種微納結(jié)構(gòu)。


圖1構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)裝置示意1聚丙烯材料2加熱裝置3滾筒形模具4溫度控制系統(tǒng)5速度控制系統(tǒng)
圖2聚丙烯表面的接觸角
(a)復(fù)制加工前；(b)復(fù)制加工后。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明中所使用的術(shù)語(yǔ)，除非有另外說(shuō)明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常 理解的含義；下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明，應(yīng)理解，這些實(shí)施例只是為 了舉例說(shuō)明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍，在以下的實(shí)施例中，未詳細(xì)描述的 各種過(guò)程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。實(shí)施例1
采用30μπι厚的聚丙烯膜為被加工材料，加熱裝置與滾筒形模具之間的間隙為2mm，通 過(guò)與聚丙烯膜表面距離為Imm的加熱裝置，使聚丙烯膜表面溫度達(dá)到160°C，加熱Is使其表 面Ιμπι厚度范圍內(nèi)處于熔化狀態(tài)，在IOOOPa的壓強(qiáng)作用下使處于室溫的滾筒形模具以滾 筒面碾壓聚丙烯膜表面的形式作用在加熱好的聚丙烯膜上，使聚丙烯膜表面發(fā)生微區(qū)塑性 變形，然后通過(guò)模具本身的滾動(dòng)使模具與已壓制好的聚丙烯表面分離，并在空氣中對(duì)分離 后的模具表面進(jìn)行冷卻；直徑30mm的滾筒形模具采用激光加工制作出具有微凹坑形的微 納尺度構(gòu)造，且滾筒形模具上的微凹坑通過(guò)連續(xù)的排氣槽連接在一起，保證了復(fù)制加工過(guò) 程中聚丙烯表面氣體的順利排出，加熱裝置與滾筒形模具的水平移動(dòng)速度為20mm/s，復(fù)制加工后的聚丙烯膜表面與水的接觸角為160°，具有良好的超疏水特性，如圖2 (b)，明顯優(yōu) 于復(fù)制加工前的聚丙烯膜表面(圖2 (a))。實(shí)施例2
采用8mm厚的聚丙烯板為被加工材料，加熱裝置與滾筒形模具之間的水平間隙為5mm， 通過(guò)與聚丙烯板表面距離為2mm的加熱裝置，使聚丙烯板表面溫度達(dá)到175°C，加熱3s使其 表面6μπι厚度范圍內(nèi)處于熔化狀態(tài)，在400Pa的壓強(qiáng)作用下使處于室溫的滾筒形模具，以 滾筒面碾壓聚丙烯板表面的形式作用在加熱好的聚丙烯板上，使聚丙烯板表面發(fā)生微區(qū)塑 性變形，然后通過(guò)模具本身的滾動(dòng)使模具與已壓制好的聚丙烯板表面分離，并在空氣中對(duì) 分離后的模具表面進(jìn)行冷卻，直徑20mm的滾筒形模具采用微蝕刻方法制作出具有微凹坑 形的微納尺度構(gòu)造，且滾筒形模具上的微凹坑通過(guò)連續(xù)的排氣槽連接在一起，保證了復(fù)制 加工過(guò)程中聚丙烯表面氣體的順利排出，加熱裝置與滾筒形模具的水平移動(dòng)速度為40mm/ s，加工后的聚丙烯板表面與水的接觸角為161°，具有良好的超疏水特性。實(shí)施例3
采用外徑60 mm的聚丙烯棒為被加工材料，加熱裝置與滾筒形模具之間的間隙為3mm。 通過(guò)與聚丙烯棒表面距離為2mm的加熱裝置，使聚丙烯棒表面溫度達(dá)到170°C，加熱2s使其 表面4μπι厚度范圍內(nèi)處于熔化狀態(tài)，在SOOPa的壓強(qiáng)作用下使處于室溫的滾筒形模具，以 滾筒面碾壓聚丙烯棒表面的形式作用在加熱好的聚丙烯板上，使聚丙烯棒表面發(fā)生微區(qū)塑 性變形，然后通過(guò)模具本身的滾動(dòng)使模具與已壓制好的聚丙烯棒表面分離，并在空氣中對(duì) 分離后的模具表面進(jìn)行冷卻。直徑35mm的滾筒形模具采用激光加工制作出具有微凸柱形 的微納尺度構(gòu)造，滾筒形模具上的微凸柱之間的縫隙形成連續(xù)的排氣槽，保證了復(fù)制加工 過(guò)程中聚丙烯表面氣體的順利排出，加熱裝置與滾筒形模具的水平移動(dòng)速度為50mm/s，加 工后聚丙烯棒表面與水的接觸角為159°，具有良好的超疏水特性。
權(quán)利要求
1.一種在聚丙烯表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于利用聚丙烯在加熱后表面局 部熔化，在壓力作用下具有良好流動(dòng)性的特點(diǎn)，采用滾筒形模具滾壓，把模具表面的微納尺 度構(gòu)造復(fù)制到聚丙烯表面，從而實(shí)現(xiàn)聚丙烯表面快速構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種在聚丙烯表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于通過(guò)加 熱裝置，使聚丙烯材料表面溫度達(dá)到16(T175°C，加熱廣3s使其表面廣6 μ m厚度范圍內(nèi) 處于熔化狀態(tài)，在40(Tl000Pa的壓強(qiáng)作用下使處于室溫的滾筒形模具，以滾筒面碾壓的形 式作用在加熱好的聚丙烯表面上，并使聚丙烯表面發(fā)生微區(qū)塑性變形，然后通過(guò)模具的冷 卻和滾動(dòng)使模具與已壓制好的聚丙烯表面分離，并在空氣中對(duì)分離后的模具表面進(jìn)一步冷 卻，從而實(shí)現(xiàn)聚丙烯表面快速構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種在聚丙烯表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述的 聚丙烯表面是指聚丙烯膜、聚丙烯塊體材料或者聚丙烯棒材的表面。
4.如權(quán)利要求2所述的一種在聚丙烯表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述加 熱裝置是通過(guò)電阻加熱元件加熱并采用溫度控制系統(tǒng)控制加熱溫度和速度的裝置，該裝置 位于滾筒形模具的前方，與被加熱表面的垂直距離為廣2mm。
5.如權(quán)利要求2所述的一種在聚丙烯表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述的 滾筒形模具是指采用鋁合金或不銹鋼制作的筒狀模具，筒的表面具有通過(guò)激光加工、微蝕 刻方法制作的微納尺度構(gòu)造，所述滾筒形模具的直徑為20 35mm。
6.如權(quán)利要求5所述的一種在聚丙烯表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于在所述 的滾筒形模具的滾筒表面開(kāi)有連續(xù)排氣凹槽，保證復(fù)制加工過(guò)程中聚丙烯表面的氣體順利 排出。
7.如權(quán)利要求2所述的一種在聚丙烯表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述加 熱裝置和滾筒形模具在復(fù)制加工過(guò)程中以同樣的水平移動(dòng)速度先后從待加工的聚丙烯表 面水平移動(dòng)，加熱裝置與滾筒形模具的水平移動(dòng)速度為20 50mm/s，由速度控制系統(tǒng)控 制，加熱裝置與滾筒形模具之間的水平間隙為2 5mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，具體而言為涉及一種通過(guò)表面復(fù)制在聚丙烯表面快速構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于利用聚丙烯在加熱后表面局部熔化，在壓力作用下具有良好流動(dòng)性的特點(diǎn)，采用滾筒形模具滾壓，把模具表面的微納尺度構(gòu)造復(fù)制到聚丙烯表面，從而實(shí)現(xiàn)聚丙烯表面快速構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)工藝溫度低，操作簡(jiǎn)便；表面復(fù)制效果好，生產(chǎn)成本低；生產(chǎn)過(guò)程效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?？傊?，通過(guò)上述方法可以成功在聚丙烯表面快速構(gòu)建各種微納結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B29C59/04GK102101358SQ201010547000
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者吉海燕, 焦志達(dá), 趙玉濤, 陳剛 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)