用于使用金属箔片制造具有疏水性表面的3D结构的方法

摘要

公开了一种用于通过使用诸如铝箔的金属箔片来制造3D(三维)结构，使得该3D结构具有疏水性表面的方法。该方法包括：通过将金属箔片附着到预定形状的3D结构的外表面上来制备金属箔片基底；对该金属箔片基底进行阳极氧化处理；在金属箔片基底材料的外表面上涂覆一种聚合物材料以形成复制阴模结构；通过将该复制阴模结构的外表面覆以外部成形材料从而形成一外部结构；以及去除所述金属箔片基底。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造具有疏水性表面的3D(三维)结构(或3D状结构)的方法，更具体地，涉及一种用于通过使用金属箔片诸如铝箔来制造3D结构，使得该3D结构具有疏水性外表面的方法。

背景技术

通常，固体基材料，诸如金属或聚合物，的表面都具有特定表面能。该特定表面能在当液体与固体接触时表现为液体和固体之间的接触角。这里，液体一般指的是水或油等，并且水可代表性地指下文中提到的液体。如果接触角小于90°，球形水滴在固体表面上会失去其形状，从而将固体表面弄湿，呈现出可湿性。然而，如果接触角大于90°，球形水滴在固体表面上会保持其形状，通过外力其能轻易地流动，而非将固体表面弄湿，呈现为不可湿性。例如，如果水滴落在荷叶上，它就不会弄湿荷叶而是在荷叶的表面上流动。这种现象表明了不可湿性。

如果固体基材料的表面经处理具有细小的突出物和凹陷(不平整)，则在该固体基材料的表面上的特定接触角的值可变化。即是说，具有小于90的接触角的亲水性表面可通过表面处理具有更大的可湿性，具有大于90的接触角的疏水性表面可通过表面处理具有更大的不可湿性。固体基材料的疏水性表面可以各种方式得到应用。如果疏水性表面被应用至管道结构，可有助于管道中的液体流动以增加流量和流速。因此，将疏水性表面应用至水务管道或锅炉管道可相比于现有技术显著地降低杂质的积聚。另外，如果将聚合物材料用于疏水性表面，则可防止管道的内表面被腐蚀，并相应地，可降低水污染。

然而，迄今为止，出于任意目的而改变固体表面上的接触角的技术是为人所知的，如一种被应用至半导体制造技术的MEMS(微机电系统)方法，通过该方法，固体的表面形成为具有细小的微米级或纳米级的突出物和凹陷。MEMS方法是一种通过机械工程使用半导体技术的最新技术，但是半导体方法导致成本较高。即是说，为了通过使用MEMS方法在固体表面上形成纳米级的突出物和凹陷，执行诸如将金属表面氧化、应用特定温度和特定电压以及在特殊溶液中进行氧化和蚀刻的操作。所述MEMS方法不能在一般工作环境中执行，而应在特殊制造的清洁室中进行，并且操作所需的机器都是昂贵的设备。此外，MEMS方法的缺点在于它不能一次处理一个大面积。

因此，由于用来形成疏水性表面的现有技术具有非常复杂的过程，不适于批量生产，且导致高额的制造成本，所以应用起来并不容易。

在本背景技术部分中所公开的上述信息仅用于加深对本发明的背景的理解，因此其可能包含有不构成本国内本领域技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

技术问题

本发明致力于提供一种用于制造具有疏水性表面的3D(三维)结构的方法，该方法相比于现有技术方法简化了工艺过程并且降低了制造成本。

本发明还提供了一种用于制造具有疏水性表面的3D结构的方法，该方法具有的优势是，通过使用可从日常生活中轻易获得的金属诸如铝箔来制造3D结构。

技术方案

本发明的一个示例性实施方案提供了一种用于制造3D结构的方法，包括：通过将金属箔片附着到预定3D结构的外表面上来制备金属箔片基底；对该金属箔片基底进行阳极氧化处理以在所述金属箔片基底的外表面上形成纳米级的孔；在所述金属箔片基底的外表面上涂覆一种聚合物材料，以将该聚合物材料形成为相应于所述金属箔片基底的纳米级孔的复制阴模结构(negative replica structure)；通过将所述复制阴模结构的外表面覆以外部成形材料来形成一外部结构；以及从所述复制阴模结构和外部成形材料去除所述金属箔片基底。

根据本发明的示例实施方案的金属箔片可以是由铝材料制成的铝箔薄膜。

在本发明的示例性实施方案中，在将所述金属箔片附着到预定3D结构的表面上的过程中，所述金属箔片可被连续地挤压，以不使空气引入到界面空间中。

在本发明的示例实施方案中，所述预定3D结构可在电解质溶液中被电解抛光，以使所述预定3D结构的表面变得平整。

在本发明的示例实施方案中，当在进行阳极氧化处理时，所述金属箔片基底可浸入到一种填充有电解质溶液的阳极氧化装置中，然后向所述金属箔片基底施加电极以形成具有纳米级孔的阳极氧化层。

在本发明的示例实施方案中，在涂覆所述聚合物材料时，所述聚合物材料可被注入到所述金属基底材料的纳米级孔内，使得所述复制阴模结构包括相应于所述纳米级孔的多个柱状物(pillar)。

在本发明的示例实施方案中，所述聚合物溶液可以选自如下材料中的一种：PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)共聚物以及PFA(全氟烷氧基)。

在本发明的示例实施方案中，所述金属箔片基底可通过化学蚀刻被去除。

有益效果

如上所述，根据本发明的示例实施方案的用于制造3D结构的方法具有如下优点：由于可在不使用诸如相关的技术MEMS方法中的昂贵设备的情况下，而向3D结构的内表面提供疏水性，因此可降低制造成本并简化工艺过程。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一示例实施方案的用于制造具有疏水性表面的3D结构的方法的过程的流程图。

图2是示出图1中的塑造具有疏水性表面的3D结构的步骤之一中的预定结构的示意图。

图3是示出其中将金属箔片附着在图2的预定结构上的状态的示意图。

图4是示出其中在图3的金属箔片基底的表面上形成一阳极氧化层的状态的示意图。

图5是示出其中形成相应于图4的金属箔片基底的表面的复制阴模结构的状态的示意图。

图6是示出其中在图5的复制阴模结构的外表面上附着一外部成形材料的状态的示意图。

图7是示出其中图6中的金属箔片基底和阳极氧化层被去除以剩下复制阴模结构和外部成形材料的状态的示意图。

图8是示出将图2中的预定结构覆以金属箔片的示意图。

图9是示出用于将图4中的金属箔片基底进行阳极氧化处理的阳极氧化装置的示意图。

图10是示出在图9中的对金属箔片基底进行阳极氧化处理之后在阳极氧化层上形成的纳米级孔的放大图。

图11是示出一复制阴模装置的示意图，该复制阴模装置用于复制相应于图5中阳极氧化层的纳米级孔的复制阴模形状。

图12是沿图11的XII-XII线所取的复制阴模装置的横截面图。

图13示出在根据本发明的第一实施方案对金属箔片进行阳极氧化之前(a)和之后(b)拍摄的图片。

图14示出图13的金属箔片的放大表面的图片。

图15示出在对图14的金属箔片的表面进行阴模复制之后，液体的接触角的实验图片。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的示例实施方案，使得本领域技术人员可以很容易地执行本发明。如本领域技术人员将意识到的，所描述的实施方案可以通过各种不同方式被修改，所有修改都不偏离本发明的主旨或范围。

在本发明中，“微米级”被限定为在等于或大于1μm并小于1000μm的范围内的尺寸，“纳米级”被限定为在等于或大于1nm并小于1000nm的范围内的尺寸。

图1是根据本发明的第一示例实施方案的用于制造具有疏水性表面的3D结构的方法的流程图。

如图1中所示，根据本发明的第一示例实施方案的用于制造具有疏水性表面的3D(三维)结构的方法包括：制备金属箔片基底的步骤S1、阳极氧化该金属箔片基底的步骤S2、涂覆聚合物材料的步骤S3、形成外部结构的步骤S4，以及去除所述金属箔片基底的步骤S5。相比于相关的技术MEMS(微机电系统)方法，通过执行这些步骤，根据本发明的示例实施方案能够以低成本的简单方法制造具有疏水性表面的结构。此外，根据所述制造步骤，3D结构可被制造为使得其内表面和外表面都具有疏水性。

图2至图7依次示出用于制造图1中的具有疏水性表面的3D结构的方法的制造过程的示意图。图2是示出一预定形状结构的示意图。

如图2中所示，根据本发明的示例实施方案的预定形状结构101是待被用于向管道结构的内表面提供疏水性的圆柱形物体。在本发明的示例实施方案中，预定形状结构101被浸入在通过将高氯酸和乙醇以1∶4的体积比进行混合所获得的溶液中，然后用电解抛光以使所述预定形状结构101变平整。

图8是示出将图2中的预定形状结构覆以金属箔片的示意图。

如图1、图2B和图3中所示，在本发明的示例实施方案中，执行制备金属箔片的步骤，以将金属箔片110附着至预定形状结构101的表面(S1)。在本发明的示例实施方案中，具有金属箔片110被附着至预定形状结构101的表面的结构将被称为“金属箔片基底”。在制备金属箔片的步骤S1中，在日常生活中通常使用的铝箔被用作金属箔片110。铝箔是使用铝材料制造的薄膜产品。在制备金属箔片的步骤S1中，金属箔片110被连续地压制，使得在将金属箔片110附着至预定形状结构101的过程中，可以排除在金属箔片110和预定形状结构101之间的空气。

图9是示出用于将图4中的金属箔片基底阳极氧化的阳极氧化装置的示意图。

如图1、图2C和图4中所示，在本发明的示例实施方案中，执行阳极氧化的步骤，以将所述金属箔片基底阳极氧化，从而在金属箔片基底的外表面上形成纳米级孔(S2)。在进行阳极氧化的步骤中，金属箔片基底被浸入在电解质溶液23中，然后向其施加电极以在该金属箔片基底的表面上形成阳极氧化层120。

为此，在本发明的示例实施方案中使用如图9中所示的阳极氧化装置20。在阳极氧化装置20中，一定量的电解质溶液23(例如，0.3M草酸C₂H₂O₄，或磷酸)被填充在主体21的内部容纳空间中以用于进行阳极氧化，所述金属箔片基底被浸入在该电解质溶液中。所述阳极氧化装置20包括电源供应单元25，并且金属箔片基底被连接至该电源供应单元25的阳极和阴极中的一个，不同金属的铂衬底26被连接至该电源供应单元25的另一剩余端子。这里，不同金属的衬底26可以是任意材料，只要其是可用于通电的导体。在实验条件下，电源供应单元25向金属箔片基底施加一个预置的恒定电压(例如，60V)，并且不同金属的衬底26被保持在距离该金属箔片基底的一个预置距离(例如，50mm)处。在这种情况下，电解质溶液23——其保持在一定温度(例如，15℃)——被一个搅拌器搅拌，以防止溶液密度的局部偏差。然后，在金属箔片基底的表面上，将形成氧化铝以作为阳极氧化层120。在执行了阳极氧化过程后，金属箔片基底被从电解质溶液23中取出，使用去离子水进行清洗(例如，清洗约15分钟)，然后在预置温度(例如，60℃)下在一烤箱中干燥一定时间段(例如，大约一小时)。

然后，如图10中所示的具有纳米单位直径的纳米级孔121在金属箔片基底的阳极氧化层120上形成。

同时，在进行阳极氧化的步骤之前，可通过使用颗粒喷射器使细微颗粒撞击到金属箔片基底的表面上，从而在该表面上形成微米级的突出物和凹陷。随后，将所述金属箔片基底阳极氧化，使得所述金属箔片基底被构造为在其表面上既具有微米级的突出物和凹陷也具有纳米级孔的结构。

图11是示出一复制阴模装置的示意图，该复制阴模装置用于复制相应于图5中的阳极氧化层的纳米级孔的复制阴模形状。图12是沿图11的XII-XII线所取的复制阴模装置的横截面图。

如图1、图5、图6和图7中所示，在本发明的示例实施方案中，聚合物材料被涂覆在相应于金属箔片基底的外表面的阳极氧化层120上。然后，该聚合物材料形成为相应于阳极氧化层120的纳米级孔121的复制阴模结构130。即，在本发明的示例实施方案中，执行涂覆聚合物材料的步骤S3，以在金属箔片基底的表面上形成复制阴模结构130。

在本发明的示例实施方案中，具有纳米级孔121的金属箔片基底被提供作为复制模板，如图6和图7中所示的复制阴模装置30被用于执行阳极氧化的步骤S2。复制阴模装置30包括装置主体31、在装置主体31中具有一定容纳空间的容纳部分32、容纳在该容纳部分32中的聚合物溶液33以及冷却单元34，该冷却单元34沿装置主体31的侧面设置，且使得容纳部分32内的聚合物溶液33凝结以便固化。

在复制阴模装置30中，金属箔片基底被浸入在聚合物溶液33中，作为复制模板，并且一种聚合物材料被涂覆在金属箔片基底的阳极氧化层120上。即是说，聚合物溶液33被注入到阳极氧化层120的纳米级孔121中，并且随着复制阴模装置30的冷却单元34的运行，与金属箔片基底相接触的聚合物材料固化。在本发明的示例实施方案中，以这种方式，通过将聚合物材料涂覆到阳极氧化层120的外表面上，形成具有相应于纳米级孔121形状的阴模形状表面的复制阴模结构130。即是说，因为复制阴模结构130是相应于纳米级孔121的阴模形状表面，其包括相应于各个纳米级孔121的多个柱状物。

聚合物溶液33由如下材料中的一种制成：PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)共聚物以及PFA(全氟烷氧基)。

同时，当所述微米级突出物和凹陷以及纳米级孔都在金属箔片基底的表面上形成时，复制阴模结构也可同时在其表面上具有微米级(micro-scale)突出物和凹陷以及纳米级(nano-scale)柱状物。相应地，复制阴模结构具有双级(dual-scale)超疏水性表面。

接下来，在本发明的示例实施方案中，如图6中所示，执行形成外部结构的步骤S4，以将复制阴模结构130的外表面覆以外部成形材料140。该外部成形材料140是具有特定粘性和柔性的材料，便于被附着在复制阴模结构130的不平整的外表面上。特别地，本发明的示例实施方案示例性地示出了用于制造具有疏水性内表面的管道结构的方法，使得圆柱形金属箔片基底的圆周表面被覆以待被用作管道材料的丙烯酸膜。作为外部成形材料140，也可使用除了丙烯酸薄膜之外的各种其他材料。

随后，在本发明的示例实施方案中，具有阳极氧化层120形成于之上的金属箔片基底被从复制阴模结构130和外部成形材料140去除(S5)。在该情况下，金属箔片基底的预定形状结构101可以很容易地与金属箔片110分离，因此其是通过诸如挤压的机械方式被分离和去除的。在去除了预定形状结构101之后，金属箔片110和阳极氧化层120通过湿式蚀刻被去除。

通过执行本发明的示例实施方案中的这些步骤，复制阴模结构130和外部成形材料140保留为如图7所示。如上所述，借助于在内表面上形成的多个纳米级柱状物，复制阴模结构130最终获得纳米级的疏水性表面。即是说，由于复制阴模结构130具有的内表面的截面结构如同荷叶的截面结构，因此其具有最小润湿特性的疏水性表面特征，相应地，复制阴模结构130和其上液体之间的接触角可极大地被增加至160°以上。

实验例

下面将描述根据本发明的示例实施方案所制造的3D结构的疏水性。

作为金属箔片，使用的是由铝材料制成的箔片。该铝箔具有27μm的厚度和3.5cm×5cm的尺寸。所述铝箔被附着至预定形状结构，因此，该预定形状结构被形成为金属箔片基底。由此形成的金属箔片基底在0.3M的草酸溶液中被阳极氧化十三个小时。

在执行阳极氧化之前，所述铝箔在视觉上被清晰识别为如图13(a)中所示的图片；在执行阳极氧化之后，所述铝箔被识别为如图13(b)中所示的图片。图14示出图13中的金属箔片的放大表面的图片，其中应注意的是，在铝箔中形成有纳米级孔。

随后，经阳极氧化的铝箔被涂覆以聚合物材料，从而形成复制阴模结构，然后将外部成形材料附着在其上。接下来，通过实验测量液体与复制阴模结构的表面的接触角，该实验显著地表明了如下结果，即，与液体的接触角极大地被增加至160°以上，如图15中所示。

尽管本发明已结合目前被认为是实际的示例性实施方案进行了描述，应理解的是，本发明并不限于所公开的实施方案，相反地，本发明意在覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同替换。