等离子体刻蚀PET表面倾斜纳米结构各向异性润湿研究

摘要

液体的各向异性润湿和定向流动在生物工程、医药和化学运输、混合及微流体的运动方面具有重要意义。采用法拉第笼辅助的射频容性耦合模式的氧等离子刻蚀聚对苯二甲酸乙二酯（PET）表面，经不同角度斜台控制得到0°、30°、45°、60°不同倾斜角度纳米结构，研究了氧等离子体刻蚀和八氟环丁烷（C4F8）、丙烯酸（AA）聚合改性工艺下不同倾斜角度纳米结构上各向异性润湿和定向流动行为，并结合了倾斜纳米结构表面化学成分和润湿模式，探讨了不同倾斜角度纳米结构上各向异性润湿差异形成机制及聚合改性后各向异性润湿和定向流动状态改变原理。 研究了PET表面不同倾斜角度纳米结构各向润湿性，除0°倾斜（垂直）结构上液滴超亲水四周铺展外，30°、45°和60°倾斜结构上液滴在垂直于倾斜结构向（X向）和平行于倾斜结构向（Y向）展现了各向异性的润湿，X向润湿受阻、Y向易润湿。且倾斜角度越大，Y向润湿长度越长。在液滴倾斜台面滑移方面，沿着倾斜结构（Y-向）方向为易滑移向，且在30°、45°和60°倾斜结构上，倾斜结构角度越大，液滴在Y+Y-向越易滑移，其中60°倾斜结构Y-向上40μL去离子水的滑移角为32.6°。在连续向倾斜结构表面注水的情况下，30°、45°和60°倾斜结构表面连续微流体逆着倾斜结构（Y+向）定向匀速流动，而三相线在沿倾斜结构（Y-向）紧紧的钉扎，尽管加大注水速度达5μL/s。且结构倾斜角度越大，定向流动速度越快。其中定向流动主要原因是液滴在Y+Y-倾斜结构上表面张力反作用阻力差异致流动能垒不同。连续微流体定向爬坡行为中，由于30°倾斜结构粘滞力大和倾斜结构承受的力小，定向爬升台面坡度能力最强。 研究了不同倾斜角度纳米结构在等离子体聚合C4F8和AA改性工艺下，使其表面分别超疏水化和亲水化修饰。等离子体C4F8聚合工艺下，0°、30°、45°和60°倾斜纳米结构上液滴接触角都在150°以上，随着结构倾斜角度的增大，接触角略有降低，各向滚动角不断增大，粘滞力增强。倾斜结构超疏水化减小了甚至消除了液滴的各向异性润湿和连续微流体的定向流动性。等离子体AA聚合工艺下，PET表面的亲水能力进一步增强，除垂直结构依然超亲水四周圆形铺展外，30°、45°和60°倾斜结构上接触角降到30°到40°，且滴入液滴即出现定向沿着倾斜结构（Y-向）铺展，依然是结构倾斜角度越大，定向铺展速度越大，各向异性润湿能力增强。这主要是因为随着结构倾斜角度增大，表面临界转换接触角θr越容易大于倾斜结构表面本征接触角θeq，造成结构驱动液滴定向铺展。在连续以0.1μL/s的注水速度进行不断注水，液体依然沿着倾斜结构流动，且流动的速度是同样条件下未聚合的倾斜结构定向Y+向流动的2倍，最后通过制备微流体通道实现了液滴较好直线性双向混合。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 表面润湿性

1.3 表面各向异性润湿铺展流动研究

1.3 倾斜微纳米结构制备工艺研究

1.5 等离子体刻蚀聚合物表面的纳米结构和润湿性研究

1.6 本文研究的内容

第二章 实验装置和分析方法

2.1 实验材料、仪器及设备

2.1.1 实验材料

2.1.2 等离子体表面改性装置

2.1.3 法拉第笼辅助等离子体刻蚀工艺

2.2 测试分析方法

2.2.1 傅立叶变换红外线光谱分析

2.2.2 扫描电子显微镜分析

2.2.3 表面润湿性测量

第三章 等离子体刻蚀PET表面倾斜纳米结构及各向异性润湿研究

3.1 PET表面不同倾斜角度的纳米结构制备

3.2 PET表面液滴各向异性润湿行为研究

3.2.1 不同倾斜角度纳米结构表面的接触角和润湿长度

3.2.2 不同倾斜角度纳米结构表面液滴的滑动行为

3.3 PET表面液体定向流动行为研究

3.3.1 不同倾斜角度纳米结构表面液体流动接触角变化

3.3.2 不同倾斜角度纳米结构表面液体流动速度比较

3.3.3 不同倾斜角度纳米结构表面液体定向爬坡行为

3.3.4 注水速度对液体定向流动的影响

3.4 结论

第四章 等离子体聚合改性对PET表面倾斜纳米结构各向异性润湿的影响

4.1 疏水基团改性后不同倾斜角度纳米结构表面各向异性润湿

4.1.1 不同倾斜角度纳米结构表面的液滴润湿行为

4.1.2 不同倾斜角度纳米结构表面的液体流动行为

4.2 亲水基团改性后不同倾斜角度纳米结构表面各向异性润湿

4.2.1 等离子体聚合丙烯酸表面化学成分分析

4.2.2 不同倾斜角度纳米结构表面的液滴润湿行为

4.2.3 不同倾斜角度纳米结构表面的液体流动行为

4.3 连续流体定向流动和液体混合行为

4.4 结论

五 总结

参考文献

致谢

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