【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(fù)制表面微結(jié)構(gòu)。研究了銀杏葉和PMMA仿生表面的浸潤(rùn)性，研究結(jié)果表明PMMA可以原位復(fù)制得到銀杏葉表面微結(jié)構(gòu)，兩者接觸角區(qū)別不大。同時(shí)，在PMMA仿生表面濺射金膜，隨著濺射時(shí)間的增加接觸角發(fā)生改變，當(dāng)濺射時(shí)間為45min時(shí)，仿生表面浸潤(rùn)性由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷浴?/p>

【關(guān)鍵詞】聚合物 銀杏葉 仿生表面 浸潤(rùn)性

【中圖分類(lèi)號(hào)】O485 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2015）20-0118-03

近年來(lái)，具有特殊浸潤(rùn)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(yīng)用前景，同時(shí)具有重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，超親水和超疏水表面成為研究熱點(diǎn)。影響固體表面浸潤(rùn)性的主要有兩大因素，表面自由能和微結(jié)構(gòu)。因此，超疏水表面一般通過(guò)兩種方法來(lái)制備，一種是在固體表面修飾低表面能物質(zhì)，另一種是在疏水固體表面構(gòu)建粗糙微結(jié)構(gòu)。

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(guó)科學(xué)院士江雷等研究發(fā)現(xiàn)正荷葉表面的微納二元復(fù)合微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(fù)雜、設(shè)備昂貴，這些問(wèn)題使得超疏水表面在實(shí)際中的應(yīng)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(jī)溶劑，是一種高度透明的熱塑性塑料，具有優(yōu)異的透光性能和可加工性能，機(jī)械性能高而且均衡。綜上分析，為了降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)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(fù)制表面微結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)中，利用PMMA并采用模板法復(fù)制了銀杏葉的表面微結(jié)構(gòu)，銀杏葉為干葉。將一定量的PMMA溶于乙酸乙酯，得到質(zhì)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(rùn)濕性能的一個(gè)重要參數(shù)。通過(guò)接觸角的測(cè)量可以獲得固體表面固—液、固—?dú)?、液—固界面相互作用的許多信息。采用接觸角測(cè)量方法對(duì)銀杏葉與PMMA表面浸潤(rùn)性進(jìn)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(cè)量結(jié)果可以直觀地看到同一葉片不同位置浸潤(rùn)性存在差異。表1給出了銀杏葉不同位置處的接觸角，由測(cè)量結(jié)果可以看到銀杏葉表面浸潤(rùn)性介于親水和疏水之間。通過(guò)數(shù)據(jù)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(rùn)性測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2，表2所示為PMMA表面接觸角測(cè)量結(jié)果并與銀杏葉進(jìn)行對(duì)比。水滴在PMMA上的接觸角與在銀杏葉正面上的接近，說(shuō)明PMMA較好地復(fù)制了銀杏葉的表面結(jié)構(gòu)。

以復(fù)制銀杏葉表面微結(jié)構(gòu)的PMMA為襯底，利用磁控濺射法鍍Au薄膜。實(shí)驗(yàn)中所用磁控濺射儀為沈科儀生產(chǎn)的OLED多功能多元鍍膜系統(tǒng)，Au靶的純度為99.9%，鍍膜時(shí)間分別為15min、30min和45min。同時(shí)，采用接觸角測(cè)量法對(duì)制備得到的薄膜樣品浸潤(rùn)性進(jìn)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(shí)間制備薄膜的接觸角測(cè)量結(jié)果。由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在目前實(shí)驗(yàn)條件下，隨著鍍膜時(shí)間的增加，薄膜的疏水性增加；鍍膜時(shí)間與接觸角的關(guān)系曲線圖見(jiàn)圖4，可以直觀地看到兩者之間的變化規(guī)律。

由圖4可知，當(dāng)鍍膜時(shí)間為0時(shí)，接觸角為83.4°，而當(dāng)鍍膜時(shí)間為15min時(shí)，接觸角為80.3°，接觸角減小親水性更加明顯。隨著鍍膜時(shí)間繼續(xù)增大，接觸角越來(lái)越大。影響表面浸潤(rùn)性的兩大重要因素是表面自由能和微結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)一步分析薄膜浸潤(rùn)性特點(diǎn)，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)了鍍金銀杏葉和鍍金PMMA薄膜的表面形貌，見(jiàn)圖5。圖5中，（a）為鍍金銀杏葉表面微結(jié)構(gòu)；（b）為鍍金PMMA薄膜表面微結(jié)構(gòu)，鍍膜濺射時(shí)間分別為15min、30min、45min。由SEM測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，銀杏葉的表面微結(jié)構(gòu)呈不規(guī)則多邊形，尺寸在20微米左右；對(duì)比圖5（a）和（b），采用PMMA很好地

復(fù)制了銀杏葉表面的微結(jié)構(gòu)。由圖5（c）和（d）可以發(fā)現(xiàn)隨著濺射時(shí)間的增大，沉積原子形成的形核不斷增大擴(kuò)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(shí)，薄膜為島狀生長(zhǎng)機(jī)制，即Au顆粒先在基片上凝結(jié)成形核，隨著沉積繼續(xù)進(jìn)行，形核長(zhǎng)大，并逐步在表面擴(kuò)散遷移，進(jìn)而連續(xù)成膜。鍍膜15min時(shí)，沉積原子在表面凝結(jié)成核，來(lái)不及在遷移擴(kuò)散，導(dǎo)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(nèi)投影面積之比），θInt為平衡接觸角。由Wenzel模型可知，當(dāng)粗糙度增大時(shí)，接觸角減小，因此鍍膜15min時(shí)的接觸角小于未鍍膜表面的接觸角。隨著鍍膜時(shí)間的增大，形核長(zhǎng)大并逐步在表面擴(kuò)散遷移，Au膜的粗糙度減小，因此接觸角增大。

在本文中，實(shí)現(xiàn)了植物葉片表面微結(jié)構(gòu)的原位、快速制備，復(fù)制銀杏葉表面得到了聚合物PMMA微結(jié)構(gòu)仿生表面，為功能仿生材料的制備提供參考，影響薄膜浸潤(rùn)性能的因素有待進(jìn)一步深入分析。本文對(duì)銀杏葉及PMMA復(fù)制微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了浸潤(rùn)性分析，通過(guò)接觸角測(cè)試發(fā)現(xiàn)復(fù)制結(jié)構(gòu)的浸潤(rùn)性與原葉接近。同時(shí)，利用SEM觀測(cè)了原葉和復(fù)制表面的微結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果表明PMMA可以成功地復(fù)制銀杏葉表面結(jié)構(gòu)，制備得到仿生表面。

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〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕