超疏水表面改性可以提高聚碳酸酯(PC)的實(shí)用性能。采用氧氣等離子體刻蝕的方法對(duì)PC基片表面進(jìn)行處理結(jié)合表面沉積疏水性涂層制備了超疏水表面。利用原子力顯微鏡、X射線(xiàn)光電子能譜儀和傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)制備過(guò)程中PC基片的表面形貌結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)成分的變化進(jìn)行了表征。超疏水PC基片表面進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)磨損基片表面喪失了超疏水的特性。分析了磨損后PC基片的表面形貌和表面化學(xué)組成，表明失效的原因與基片表面形貌以及疏水性涂層的破壞有關(guān)。

　　聚碳酸酯(PC)是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、綜合性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，具有突出的抗沖擊性、耐蠕變性能，較高的拉伸強(qiáng)度，較強(qiáng)的耐熱性和耐寒性，優(yōu)良的介電性和尺寸穩(wěn)定性。拋光后的PC板材具有良好的光學(xué)性能，透光率可達(dá)90%、霧度為0.7%，因此被廣泛用來(lái)制作顯示屏、飛機(jī)座艙透明件、鏡頭等器件。但這些光學(xué)器件很容易受到指紋、灰塵等雜質(zhì)的污染。將PC進(jìn)行表面超疏水改性，可以提升其防水防污、自清潔性能，這將大大提高PC在實(shí)際中的應(yīng)用能力。

　　固體表面的潤(rùn)濕性由固體的表面形貌和表面能決定，固體表面與水的接觸角θ是用來(lái)描述固體表面潤(rùn)濕行為的直觀判據(jù)，超疏水表面一般是指與水的接觸角大于150°的表面。在固體表面引入含氟(F)官能團(tuán)可以有效降低表面能，提高液體接觸角。這是因?yàn)榉�有很小的原子半徑和�?qiáng)烈的電負(fù)性，能產(chǎn)生很低的表面能。提高聚合物的F-C比例可以減小聚合物的表面能，固體表面的自由能越低，疏水性能就越強(qiáng)。由-CF3基團(tuán)組成的單分子膜的表面張力僅為0.6×10-2N/m，在平面上與水的接觸角接近120°，然而即使具有最低表面能的光滑平面，其與水接觸角也僅有119°。研究發(fā)現(xiàn)，固體表面的浸潤(rùn)性不但受表面化學(xué)成分影響，而且還受表面粗糙度控制。根據(jù)Cassie-Baxter公式cosθc=f(1+cosθ)-1(θc為表觀接觸角;f為表面的固態(tài)相分率)推算，形成具有一定粗糙度的表面形貌結(jié)構(gòu)，降低水滴與固體表面的實(shí)際接觸面積，將會(huì)降低水與固體表面的粘附性，從而增加表面疏水性能。因?yàn)樵贑assie-Baxter模型中，表觀接觸角是各個(gè)接觸相間貢獻(xiàn)的總和，水滴是懸浮于固體表面形貌的凸起之上的，之間密封著空氣，因而該模型又被稱(chēng)為空氣墊模型，其原理圖如圖1所示。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為聚合物材料與其他材料相比，耐熱性不如其他材料，因而要想制備PC材料的超疏水表面必須在低溫環(huán)境下進(jìn)行。等離子體處理恰好可以提供這樣一個(gè)低溫環(huán)境，因?yàn)樗�使用的等離子體是通過(guò)輝光放電產(chǎn)生的低溫等離子體，低溫等離子體屬于非平衡體系，其中中性粒子及離子的溫度遠(yuǎn)低于電子的溫度，一般為300～500K。因此本文將以PC為基片，通過(guò)氧氣等離子體刻蝕和表面氟化處理來(lái)獲得PC基片的超疏水表面，并從表面形貌結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)組成兩方面來(lái)分析PC基片超疏水化的過(guò)程以及磨損失效的原因。

圖1　Cassie-Baxter模型

1、實(shí)驗(yàn)

　　1.1、PC基片超疏水表面的制備

　　實(shí)驗(yàn)用PC板為L(zhǎng)EXAN的光學(xué)級(jí)雙酚A型板材，板材切割成2cm×2cm的小塊基片，經(jīng)分析純無(wú)水乙醇擦洗并用高純氮?dú)獯蹈珊�，放�?0℃烘箱中烘30min，然后取出放入玻璃皿中待用。制備過(guò)程首先利用氧氣等離子體刻蝕來(lái)處理PC基片以改變PC基片的表面形貌，而后將處理好的PC基片及時(shí)浸涂在盛有DC2634溶液的玻璃皿中進(jìn)行表面氟化處理，以減小PC基片的表面能等離子體刻蝕設(shè)備是由中國(guó)科學(xué)院微電子研究所生產(chǎn)的ICP-98A型高密度等離子體刻蝕機(jī)。它由一組大功率的射頻激勵(lì)電源通過(guò)感應(yīng)耦合在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生高密度等離子體，而由另一組功率較小的偏壓電源引導(dǎo)離子垂直于被刻蝕物體運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到各向異性和高速低損傷刻蝕的目的。將PC基片放入真空室，當(dāng)真空室的真空度抽至1×10^-3 Pa以下時(shí)，充入氧氣，調(diào)整流量為30mL/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。然后調(diào)節(jié)真空室壓強(qiáng)為0.8Pa時(shí)開(kāi)始刻蝕，刻蝕功率為100W，時(shí)間為5min。

　　DC2634溶液由美國(guó)道康寧公司生產(chǎn)，溶液的濃度為0.1%的固體含量。DC2634溶液中的活性聚合物是烷基硅氧烷功能性全氟聚醚(PFPE)雜化聚合物，具有含氟聚合物的疏油和低摩擦系數(shù)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，可在室溫下自然干燥8h，或在50℃和50%的相對(duì)濕度下干燥1h。

　　1.2、PC基片超疏水表面的磨損實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB1320-88的要求，采用手持式擦拭具，橡皮摩擦頭外裹兩層無(wú)塵紙保持49N的壓力對(duì)PC基片超疏水表面進(jìn)行摩擦，擦拭具與超疏水表面垂直，順著同一軌跡往復(fù)擦拭，然后從表面形貌和表面化學(xué)組成兩方面來(lái)分析擦拭前后PC基片表面所發(fā)生的變化。所用的無(wú)塵紙由中山科利宏防靜電凈化有限公司生產(chǎn)，型號(hào)是WIP-0609系列。

　　1.3、檢測(cè)儀器

　　PC基片的表面化學(xué)組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)通過(guò)美國(guó)Thermo公司生產(chǎn)，型號(hào)為ESCALAB 250的X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)儀和美國(guó)Thermonicolet公司生產(chǎn)的nicolet67型全反射傅里葉變換紅外光譜儀(ATRFTIR)表征。PC基片的表面形貌結(jié)構(gòu)通過(guò)美國(guó)Veeco公司的D3100型原子力顯微鏡(AFM)來(lái)檢測(cè)。PC基片表面與水的接觸角采用德國(guó)Dataphysics公司生產(chǎn)的OCA20型接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量，測(cè)量溫度為23℃，測(cè)量時(shí)在PC基片表面均勻取5個(gè)點(diǎn)測(cè)試。將PC基片水平放置，滴入液滴大小固定為3μL的工作液滴，隨即進(jìn)行高清照相，在所得的圖形上用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)量液滴的左接觸角、右接觸角，取平均值即為該點(diǎn)接觸角值。

4、結(jié)論

　　通過(guò)氧氣等離子體刻蝕和浸涂DC2634溶液成功獲得了PC基片的超疏水表面。通過(guò)AFM、FTIR和XPS對(duì)制備過(guò)程中PC基片的表面結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)成分的表征說(shuō)明氧氣等離子體刻蝕是為了形成許多柱狀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的親水性基團(tuán)。浸涂DC2634溶液是為了沉積具有大量含F(xiàn)疏水官能團(tuán)的納米層薄膜以降低PC基片的表面能，從而使PC基片具有超疏水性能。經(jīng)過(guò)磨損測(cè)試后，PC表面的含F(xiàn)量下降，超疏水特性喪失，說(shuō)明疏水性納米層薄膜受到破壞。通過(guò)AFM，F(xiàn)TIR，XPS的綜合分析，失效的原和PC基片表面柱狀突起的消失以及表面疏水性納米層薄膜的破壞有關(guān)。因此，制備具有一定機(jī)械耐久性的納米結(jié)構(gòu)是超疏水結(jié)構(gòu)實(shí)用化的重要方向。