基于銀杏葉模板的聚合物仿生表面制備與浸潤性研究

【摘 要】利用親水聚合物PMMA作為制備仿生表面的材料，以植物銀杏葉為模板，原位復制表面微結構。研究了銀杏葉和PMMA仿生表面的浸潤性，研究結果表明PMMA可以原位復制得到銀杏葉表面微結構，兩者接觸角區別不大。同時，在PMMA仿生表面濺射金膜，隨著濺射時間的增加接觸角發生改變，當濺射時間為45min時，仿生表面浸潤性由親水性轉變為疏水性。

【關鍵詞】聚合物 銀杏葉 仿生表面 浸潤性

【中圖分類號】O485 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）20-0118-03

近年來，具有特殊浸潤性能的固體表面，在自清潔、防腐蝕、防污染等方面具有廣泛的應用前景，同時具有重要的理論研究和實際應用價值，超親水和超疏水表面成為研究熱點。影響固體表面浸潤性的主要有兩大因素，表面自由能和微結構。因此，超疏水表面一般通過兩種方法來制備，一種是在固體表面修飾低表面能物質，另一種是在疏水固體表面構建粗糙微結構。

自然界中的許多植物本身就具有超疏水功能。其中最為突出的是具有超疏水、自清潔功能的荷葉表面，中國科學院士江雷等研究發現正荷葉表面的微納二元復合微結構是引起超疏水表面的根本原因。因此，眾多研究者把研究核心放在如何在表面制備特殊的粗糙結構。目前，主要制備方法有模板法、刻蝕法、溶膠—凝膠法、電紡絲法和自組裝法等；制備方法中有的局限于特定的基地或表面，有的方法復雜、設備昂貴，這些問題使得超疏水表面在實際中的應用受到了一定程度的限制。聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate，PMMA，[CH2C（CH3）（CO2CH3）n]）能溶于自身單體、氯仿、乙酸、乙酸乙酯等有機溶劑，是一種高度透明的熱塑性塑料，具有優異的透光性能和可加工性能，機械性能高而且均衡。綜上分析，為了降低實驗成本，提高實驗效率和可操作性，本課題選取親水型聚合物PMMA作為制備仿生表面的材料，以銀杏葉片為模板，原位復制表面微結構。

實驗中，利用PMMA并采用模板法復制了銀杏葉的表面微結構，銀杏葉為干葉。將一定量的PMMA溶于乙酸乙酯，得到質量濃度為15%的溶液，利用磁力攪拌器30℃攪拌2h后溶解為透明溶膠。將溶膠澆注在銀杏葉片上，在室溫下放置24h，然后在90℃加熱2h，得到固化的PMMA。接觸角是衡量固體表面潤濕性能的一個重要參數。通過接觸角的測量可以獲得固體表面固—液、固—氣、液—固界面相互作用的許多信息。采用接觸角測量方法對銀杏葉與PMMA表面浸潤性進行了表征和初步分析。

圖1所示為水滴在銀杏葉表面不同位置處的照片，由測量結果可以直觀地看到同一葉片不同位置浸潤性存在差異。表1給出了銀杏葉不同位置處的接觸角，由測量結果可以看到銀杏葉表面浸潤性介于親水和疏水之間。通過數據比較，銀杏葉正面的接觸角大于反面的接觸角。

仿生PMMA表面浸潤性測量結果見圖2，表2所示為PMMA表面接觸角測量結果并與銀杏葉進行對比。水滴在PMMA上的接觸角與在銀杏葉正面上的接近，說明PMMA較好地復制了銀杏葉的表面結構。

以復制銀杏葉表面微結構的PMMA為襯底，利用磁控濺射法鍍Au薄膜。實驗中所用磁控濺射儀為沈科儀生產的OLED多功能多元鍍膜系統，Au靶的純度為99.9%，鍍膜時間分別為15min、30min和45min。同時，采用接觸角測量法對制備得到的薄膜樣品浸潤性進行表征和初步分析。圖3和表3所示為仿生PMMA襯底以及三種鍍膜時間制備薄膜的接觸角測量結果。由結果可以發現在目前實驗條件下，隨著鍍膜時間的增加，薄膜的疏水性增加；鍍膜時間與接觸角的關系曲線圖見圖4，可以直觀地看到兩者之間的變化規律。

由圖4可知，當鍍膜時間為0時，接觸角為83.4°，而當鍍膜時間為15min時，接觸角為80.3°，接觸角減小親水性更加明顯。隨著鍍膜時間繼續增大，接觸角越來越大。影響表面浸潤性的兩大重要因素是表面自由能和微結構，為了進一步分析薄膜浸潤性特點，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測了鍍金銀杏葉和鍍金PMMA薄膜的表面形貌，見圖5。圖5中，（a）為鍍金銀杏葉表面微結構；（b）為鍍金PMMA薄膜表面微結構，鍍膜濺射時間分別為15min、30min、45min。由SEM測量結果可以發現，銀杏葉的表面微結構呈不規則多邊形，尺寸在20微米左右；對比圖5（a）和（b），采用PMMA很好地

復制了銀杏葉表面的微結構。由圖5（c）和（d）可以發現隨著濺射時間的增大，沉積原子形成的形核不斷增大擴散，空氣填充量不斷減小，粗糙度不斷減小。

利用磁控濺射鍍Au膜時，薄膜為島狀生長機制，即Au顆粒先在基片上凝結成形核，隨著沉積繼續進行，形核長大，并逐步在表面擴散遷移，進而連續成膜。鍍膜15min時，沉積原子在表面凝結成核，來不及在遷移擴散，導致表面粗糙度大，組織疏松。由Wenzel模型：cosθapp=rcosθInt，式中，θapp為液滴在粗糙表面上的表觀接觸角，r為粗糙度（固液接觸的幾何面積與水平面內投影面積之比），θInt為平衡接觸角。由Wenzel模型可知，當粗糙度增大時，接觸角減小，因此鍍膜15min時的接觸角小于未鍍膜表面的接觸角。隨著鍍膜時間的增大，形核長大并逐步在表面擴散遷移，Au膜的粗糙度減小，因此接觸角增大。

在本文中，實現了植物葉片表面微結構的原位、快速制備，復制銀杏葉表面得到了聚合物PMMA微結構仿生表面，為功能仿生材料的制備提供參考，影響薄膜浸潤性能的因素有待進一步深入分析。本文對銀杏葉及PMMA復制微結構表面進行了浸潤性分析，通過接觸角測試發現復制結構的浸潤性與原葉接近。同時，利用SEM觀測了原葉和復制表面的微結構，測試結果表明PMMA可以成功地復制銀杏葉表面結構，制備得到仿生表面。

參考文獻

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〔責任編輯：龐遠燕〕