PDMS柔性衬底的制备及亲水性问题的研究

张春恒,高 枫,彭旭锋,郇 弢,刘文怡*

(1.中北大学电子测试技术国防重点实验室,太原 030051;2.北京宇航系统研究所,北京 100076;3.首都航天机械公司,北京 100076)

PDMS柔性衬底的制备及亲水性问题的研究

张春恒1,高 枫2,彭旭锋2,郇 弢3,刘文怡1*

(1.中北大学电子测试技术国防重点实验室,太原 030051;2.北京宇航系统研究所,北京 100076;3.首都航天机械公司,北京 100076)

针对PDMS(聚二甲基硅氧烷)柔性衬底的疏水性问题,设计了利用氧等离子体和表面活性剂(十二烷基硫酸钠)联合修饰的解决方法。首先介绍了衬底的制备方法,制备完成后对其进行单一的氧等离子体处理,处理完利用接触角测试仪测得接触角大小为84°。其次研究了联合修饰的方法,在进行氧等离子体处理时选取了合适的处理时间避免出现裂纹,再利用SDS对PDMS表面进行处理,处理完测得接触角的大小为22°。实验结果证明,联合修饰有效的提高了PDMS表面的亲水性。

PDMS;联合修饰;接触角;亲水性

当机器人用肢体感知外界物体时,触觉可以帮助机器人识别物体的种类[1]。其中电子皮肤起到至关重要的作用,它和人类的皮肤一样具有感知功能,可以感知外界的温度和湿度等变化。具有柔软性的电子皮肤可以帮助机器人对外界的感知更为敏感[2-3],因此电子皮肤的柔软性研究一直备受人们的关注[4]。柔性触觉传感器可以使机器人的电子皮肤具有柔软性[5],是利用传感器技术结合新材料新技术制作而成,具有柔韧性、智能性、系统性等优点。

在研究柔性触觉传感器中,柔性衬底的选择极为重要。柔性衬底应具备良好的亲水性、透光性、耐热性。常用的有塑料衬底、PDMS柔性衬底、生物复合薄膜衬底等[6-7]。本文选择PDMS柔性衬底,对其表面采用氧等离子体和SDS联合修饰的方法来改善它的亲水性[8]。

1 等离子体修饰方法的实验

由于目前PDMS柔性衬底的亲水性较差,使得在与金属材料粘附时易发生脱落,导致柔性触觉传感器不能正常使用。现阶段一般利用一些物理方法对PDMS进行表面修饰,例如等离子体处理、紫外照射处理和臭氧辐射处理等,使其表面发生氧化反应来改变PDMS表面的结构,以此达到提高亲水性的目的。进行等离子体修饰实验用到的材料和仪器如下:

实验材料:PDMS前聚物和固化剂均购买于美国道康宁;无水乙醇和丙酮均购自天津市光复精细化工研究所;十二烷基硫酸钠(SDS)购于天津市盛同鑫化工商贸有限公司。

实验仪器:ION40型等离子去胶机;ZDF-6000真空干燥箱(上海博讯实业有限公司);CSPM3400原子力显微镜(AFM,广州本原纳米仪器有限公司);dataphysics-OCA15EC型接触角测试仪(dataphysics仪器股份有限公司)。

1.1 PDMS柔性衬底的制备

聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性衬底的制备过程如下:

(1)将PDMS前聚物和固化剂按照10∶1的质量比混合并用玻璃棒用力搅拌均匀,把搅拌均匀的混合物放入干燥箱内进行持续约1 h～2 h的脱泡,第1次气泡完全消失后,从干燥箱中取出。

(2)将步骤1中脱泡后的混合物均匀平铺在玻璃板上,进行约30 min的第2次脱泡,当气泡完全消失时,将其从干燥箱中取出。

(3)将经过二次脱泡后的玻璃板放入温度为75 ℃的加热箱中进行连续3 h的固化。完成PDMS柔性衬底的制备。最后将其均匀切割成5 cm×2 cm的长方形条,放入干燥箱中备用。

1.2 实验过程

经过等离子体修饰[9]可以改善聚合物表面的活泼性质,增强表面的交互作用。根据这一原理,使PDMS表面原本的疏水性变为亲水性。

实验中选用氧等离子体修饰方法来改善PDMS表面疏水性,影响其效果的主要参数有氧等离子体改性时间、氧气流量及射频功率[10]。将PDMS薄膜放入去胶机中进行氧等离子修饰,首先固定射频功率和氧气流量,改变不同的改性时间,处理参数如表1所示;其次固定改性时间和射频功率,改变不同的氧气流量,处理参数如表2所示;最后固定氧气流量和改性时间,改变不同的射频功率,处理参数如表3所示。

表1 不同改性时间下的参数

表2 不同氧气流量下的参数

表3 不同射频功率下的参数

通过PDMS表面接触角的大小可衡量其亲水性的改善效果。设定接触角为θ,当θ<90°时,薄膜表面具有亲水性,且角度越小,亲水性越好;当θ>90°时,薄膜表面具有疏水性,且角度越大,疏水性越强。如图1所示为未经过任何处理的PDMS表面接触角,选用dataphysics-OCA15EC型设备进行PDMS表面接触角的测量,未经过处理的PDMS测得的接触角大于90°,表现为疏水性。在实验过程中,用移液器每次滴到待测的PDMS表面上2 μL的去离子水来观察亲水效果,在PDMS表面上取5个不同的点测量接触角最后取平均值。

图1 未处理的PDMS表面接触角

1.3 实验结果

图2 PDMS表面接触角变化趋势

根据实验得到不同参数下的接触角大小,如图2所示,图2(a)为射频功率和氧气流量固定时,改性时间与接触角变化曲线,可以看出接触角随着改性时间的增加而逐渐减小,由疏水性变为亲水性,当时间增加到120 s时,接触角接近0°,PDMS表面表现为超亲水性,但是此时取出PDMS发现表面已经出现了裂纹,分析应该是改性时间过长所致。图2(b)为射频功率和改性时间固定时,改变氧气流量得到的接触角变化趋势。可以看出接触角随着氧气流量的增加逐渐减小,增强了PDMS表面的亲水性。但是当氧气流量增大到一定程度时,PDMS表面也会出现裂纹。图2(c)为氧气流量和改性时间固定时,改变射频功率得到的接触角变化趋势。可以看出接触角随着射频功率的增加逐渐变小,增强了PDMS表面的亲水性。但是当射频功率超过一定数值时,PDMS表面随之出现裂纹,影响衬底的使用。由上述实验得出,氧等离子体修饰方法虽然有效的增大了PDMS表面的亲水性,但长时间、高气流及高功率的氧等离子体修饰会导致PDMS表面出现裂纹,并且经过氧等离子体修饰处理后的PDMS薄膜在空气中静置一段时间后又会体现出疏水性。由此可知,单一的氧等离子体修饰方法并不能完全改善PDMS表面疏水性的问题,提出行之有效的处理方法势在必行。

2 等离子体和表面活性剂联合修饰方法的实验

表面活性剂是指加入少量能使其溶液体系的界面状态发生明显变化的物质[11]。表面活性剂分子一端为亲水基团,另一端为亲油基团。现在主要用到的有阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子型表面活性剂及复配表面活性剂等。本实验选用阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)来对PDMS表面进行修饰,由于它的亲油基团与PDMS表面相连,亲水基团在PDMS表面的外侧,所以加大了PDMS表面的亲水性。

虽然表面活性剂SDS可以很好的提高PDMS表面的亲水性,但是长时间的浸润会使SDS渗入到PDMS的内部,导致PDMS表面的可拉伸性大大降低,无法满足柔性衬底的可拉伸性的要求。针对这一问题,并且结合氧等离子体修饰和表面活性剂修饰的优点,本文设计了一种利用SDS和氧等离子体结合对PDMS表面进行修饰的方法,首先用氧等离子体修饰的方法对PDMS表面进行处理,使PDMS表面上形成一层氧化膜,起到隔离保护PDMS的作用,防止SDS浸入PDMS所导致的拉伸性改变的问题,再利用SDS表面活性剂对PDMS表面进行修饰,即作用在了氧化层上,如图3所示。经过氧等离子体与SDS联合修饰处理后的PDMS表面既解决了亲水性的问题又不影响其拉伸性能。

图3 联合修饰后的PDMS

2.1 实验步骤

考虑到长时间、大功率和高氧气流的氧等离子体处理会导致PDMS表面出现裂纹,所以在处理的时候要选取合适的时间。通过对前期的实验结果分析可知,在改性时间为10 s、射频功率为120 W和氧气流量在150 sccm时,PDMS表面达到良好的亲水性且不出现裂纹。然后选用浓度为0.5%的SDS溶液对PDMS表面进行修饰。将经过氧等离子体处理后的PDMS放入配制好的SDS溶液中浸泡30 s,之后用去离子水冲洗30 s,最后用氮气吹干。

2.2 实验结果

对未处理的PDMS、只进行氧等离子体处理及氧等离子体和表面活性剂联合处理的PDMS进行接触角大小的测量,如图4所示。由图4可以看出,未处理的PDMS表面接触角为105°,表现出极大的疏水性;在进行氧等离子体处理时,要避免PDMS表面出现裂纹,此时的接触角减小到84°,已表现出较弱的亲水性;最后进行联合处理,处理后的接触角减小到22°,表现出极强的亲水性。对处理后的PDMS表面静置在空气中,每隔6 h对其进行接触角的测量,经过120 h的测量,发现PDMS表面的接触角并没有发生明显改变,证明联合修饰的确可以有效的提高PDMS表面的亲水性,且保持时间较长较稳定。

通过利用被修饰后的PDMS表面分别与玻璃、PDMS表面、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)进行粘附性实验,来更直观的观察PDMS表面被修饰后的效果。其中玻璃、PDMS表面、PET都依次经过去离子水、丙酮和无水乙醇进行超声清洗,并用氮气吹干,之后与被修饰的PDMS表面进行黏贴,然后放在真空干燥箱内,进行50 h的粘附性实验。实验结果如图5所示,由图5可以看出,经过联合修饰的PDMS表面的贴合面积高达到90%以上,进一步证明了本文所提出的联合修饰的方法行之有效。

图4 接触角大小的测量

图5 附性实验

3 结束语

本文主要研究了氧等离子体修饰和表面活性剂修饰对PDMS表面亲水性的影响。实验发现对PDMS表面进行单一的氧等离子体处理会出现裂纹,不会明显提高它的亲水性,并且亲水性的改变时间也是暂时的。而只进行表面活性剂处理时会导致SDS渗入到PDMS表面内,改变了表面的拉伸性能,影响PDMS衬底的使用。最后提出氧等离子体与SDS联合修饰的方法,由实验结果可知,PDMS表面的亲水性得到了明显的提高,并且不会出现裂纹和影响其拉伸性能,这种修饰方法可以持久的保持亲水性改变的效果。本文所提出的联合修饰的方法有望于应用在制作柔性触觉传感器和电子皮肤当中。

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The Preparation of PDMS Flexible Substrate and Research of Hydrophilic

ZHANGChunheng1,GAOFeng2,PENGXufeng2,HUANTao3,LIUWenyi1*

(1.North University of China,National Defense Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Taiyuan 030051,China;2.Beijing Institute of Astronautics System Engineering,Beijing 100076,China;3.The capital aerospace machinery company,Beijing 100076,China)

In view of the high hydrophobic problem of PDMS(Polydimethylsiloxane)flexible substrate,an union modification method was designed by using oxygen plasma and surfactant(SDS). First the preparation methods of substrate was introduced,single oxygen plasma treatment was proceeded after the preparation,the contact angle size 84 degree was measured by using the contact angle instrument after processed. Next a combination modified method was researched,selecting the appropriate time to avoid the crack on oxygen plasma treatment,and disposing the PDMS surface by using SDS,after the contact angle size 22° was measured. The experimental showed combination modification effectively improved the hydrophilicity on the surface of the PDMS.

PDMS;union modification;contact angle;hydrophilicity

2016-04-23 修改日期:2016-05-13

TN219

A

1005-9490(2017)03-0525-05

C:0560

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.002