[发明专利]一种二氧化钛超疏水薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜制备方法技术领域，具体涉及一种二氧化钛超疏水薄膜的制备方法。

背景技术

材料表面的浸润性是材料的一项重要性能，很多物理化学过程，例如：粘合，吸附，分散等，都与材料表面的浸润性密切相关。超疏水表面是指材料表面与水的接触角大于150°，滚动角小于10°。超疏水表面所具有的非润湿和自清洁特性使其在自清洁、防水、防冰、抗腐蚀、MEMS器件防黏附等领域具有广泛的应用前景而受到广泛关注。

制备超疏水涂层需要满足两个基本条件：(1)物质表面具有微观粗糙结构；(2)物质表面需要具有较低的表面自由能。通常，构筑超疏水表面有两种途径：(1)在低表面能物质表面构建微观粗糙结构；(2)在具有高表面能的粗糙表面进行低表面能物质的修饰。无机物材料一般都具有亲水性，其疏水性表面的制备通常采用先制备出微观粗糙结构，后进行低表面能物质修饰的方法。制备具有微观粗糙表面无机薄膜的方法主要有刻蚀法、溶胶-凝胶法、水浴-水热法、逐层吸附法和电化学沉积法等。溶胶-凝胶法由于具有工艺简单和成本低廉的特点而被广泛应用于二氧化硅、二氧化钛、氧化铝等超疏水薄膜的制备。其基本原理是在溶胶-凝胶的前驱体中加入惰性的有机高分子化合物，在凝胶膜烧结的过程中，通过有机高分子的热分解形成孔洞来构筑粗糙表面。粗糙表面孔洞的大小和分布与高分子化合物的性质有关，但不具有规整结构。光和等离子体刻蚀技术可以在二氧化硅和二氧化钛的薄膜表面制备出规整的微细图形化微米级粗糙结构，随后经化学修饰即可制备出超疏水表面，但该方法必须以首先制备出氧化物材料/薄膜为前提，不具备薄膜制备和粗糙表面同步构筑的特点，而且制备周期长、工艺复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化钛超疏水薄膜的制备方法，制备的二氧化钛薄膜表面粗糙结构规整、疏水性能优异，工艺简单、重复性好。

本发明所采用的技术方案是：一种二氧化钛超疏水薄膜的制备方法，首先制备出二氧化钛感光溶胶；然后采用浸渍提拉法制备二氧化钛感光凝胶膜，随后经激光干涉法曝光、溶洗和热处理，得到具有规整微米级点阵粗糙表面的二氧化钛薄膜；最后用氟硅烷进行化学修饰，得到二氧化钛超疏水薄膜。

本发明的特点还在于，

具体包括以下步骤：

步骤1：制备二氧化钛感光溶胶

将苯酰丙酮加入甲醇中溶解，然后添加一定量的钛酸丁酯，密封后室温搅拌2～5h，得到TiO₂感光溶胶；

步骤2：制备二氧化钛干凝胶膜

将清洁的硅片浸入步骤1得到的二氧化钛感光溶胶中，采用浸渍提拉法在硅片上拉制光滑平整的溶胶-凝胶薄膜，然后进行干燥，得到二氧化钛干凝胶膜；

步骤3：制备具有规整微米级点阵粗糙表面的二氧化钛薄膜

将步骤2得到的二氧化钛干凝胶膜固定在载物台上，采用激光干涉法对二氧化钛干凝胶膜进行双光束曝光，一次曝光后，将二氧化钛干凝胶膜旋转90°，进行二次曝光；将曝光后的凝胶膜进行溶洗，然后用高纯氩气吹洗；将吹洗后的凝胶膜进行热处理，得到具有规整微米级点阵粗糙表面的二氧化钛薄膜；

步骤4：氟硅烷修饰

将步骤3得到的具有规整微米级点阵粗糙表面的二氧化钛薄膜置于1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷的无水乙醇溶液中静置，干燥后得到二氧化钛超疏水薄膜。

步骤1中钛酸丁酯:苯酰丙酮:甲醇的物质量比为1:0.5～1:10～20。

步骤1得到的TiO₂感光溶胶中添加聚乙二醇200，聚乙二醇200的质量分数为TiO₂感光溶胶总重量的0.1％～0.8％。

步骤2中提拉的速度为0.005～0.025cm/s；干燥的温度为80～100℃、时间为5～10min。

步骤3中激光干涉的光源为氪离子激光器，干涉条纹的宽度为1～3μm，一次曝光时间为5～10min，二次曝光时间为5～10min。

步骤3中溶洗使用体积比为1:3～5的乙醇和异丙醇混合溶剂，溶洗时间8～12s。

步骤3中热处理的温度为450～550℃、时间为30～40min。

步骤4中1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷在无水乙醇中的浓度为0.1～0.5％。

步骤4中静置的时间为12～15h，干燥的温度为150～200℃、时间为10～20min。