聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有優異的柔性、化學惰性、透明度及生物相容性，在醫學、光學及柔性電子學等諸多領域得到廣泛的應用。其中，PDMS彈性體由液體預聚體與交聯劑后交聯成型的特點使其在微/納接觸模塑構筑各種功能器件方面展現出獨特的優勢。近來，基于微/納接觸模塑技術，PDMS在柔性光學透鏡、微型反應器、微芯片、微納陣列結構以及超疏表面構筑等應用方面取得了系列顯著成果。探索并發展簡便的模塑技術實現PDMS基功能表面及器件的制備，是材料科學領域的研究熱點。

近日，加拿大西蒙弗雷澤大學Hua-Zhong Yu教授（點擊查看介紹）研究團隊通過溶劑誘導結晶，在傳統高分子材料聚碳酸酯（PC）表面構筑球狀微納復合形貌，以此為模板基于微/納接觸模塑簡便實現了PDMS超疏水表面的構筑。經過合理優化各實驗參數，所制備PDMS表面水接觸角高達172 ±1°、滾動角<1°，展現出卓越的超疏水性能。同時，研究人員對PC表面誘導結晶形貌、內在機理以及材料表面形貌與疏水性能內在關系等方面進行了系統的探究。

微/納接觸模塑構筑PDMS超疏水表面示意圖。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

初始的透明平整PC表面呈現較低疏水性，水接觸角90±1°；經過溶劑（丙酮）誘導結晶，PC轉變為不透明，但表面水接觸角也提升至151±2°。進一步經PDMS微/納接觸復制后，得到超疏水PDMS表面（水接觸角157±1°）。系統研究表明溶劑體系（丙酮 vs. 乙酸乙酯）、溶劑誘導時間、后處理方法以及PDMS預聚體系濃度對PC及所構筑PDMS表面疏水性具有顯著影響。當丙酮或乙酸乙酯溶劑處理時間達120 s時，體系表面接觸角能夠達到＞170°。

不同實驗參數對PC、PDMS表面疏水性能的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

材料表面形貌變化影響著表面疏水性的變化。研究人員進一步系統考察了不同溶劑處理時間對材料表面微觀形貌的影響。如SEM測試所示：隨著溶劑處理時間的增加，PC表面結晶區域逐漸延伸、材料表面誘導結晶形成的球狀微納復合粗糙形貌愈加明顯（粗糙度增大），相應PDMS復制形貌也隨之變化。

溶劑處理時間對PC及PDMS表面形貌的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

此外，研究表明PDMS體系中添加h-PDMS或采用有機溶劑稀釋能夠顯著提升PDMS復制PC結晶微納形貌的完整性，使得復制PDMS體系具有明顯的微納復合粗糙結構，從而賦予PDMS表面更高的疏水性能。

PDMS體系構成對復制微納形貌的影響。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

基于所構筑PDMS優異的超疏水特性（靜態水接觸角＞170°，滾動角1°），該研究成果可用于構筑大面積PDMS基超疏水、自清潔表面。同時，該超疏水PDMS表面在微流體技術方面具有重要的潛在應用。基于簡便的UV-臭氧處理，可使得疏水PDMS表面形成圖案化的親水區域，從而用作液體傳輸微通道。

疏水PDMS表面UV-臭氧構筑微流體通道。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

總結

微/納粗糙結構是構筑超疏表面的關鍵因素。該論文通過商業化PC樹脂表面溶劑誘導結晶結合微接觸模塑（復制），簡便實現了具有自清潔效應PDMS超疏水表面的構筑。該方法對PC模板尺寸沒有限制性，適于超疏水PDMS大面積、低成本制備。同時，該微納結構表面模塑制備方法可拓展至其他聚合物基微結構及功能表面的構筑。

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面，或點此查看原文）：

Superhydrophobic Polydimethylsiloxane via Nanocontact Molding of Solvent Crystallized Polycarbonate: Optimized Fabrication, Mechanistic Investigation, and Application Potential

Clayton W. Schultz, Cliff L. W. Ng, Hua-Zhong Yu*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 3161-3170, DOI: 10.1021/acsami.9b18041

導師介紹

Hua-Zhong Yu

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