TWI386297B - 製造具有超斥水性及高透光性之塑膠表面的方法 - Google Patents
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Description
本發明係與表面改變(surface modification)有關，特別是關於一種製造具有超斥水性(superhydrophobicity)及高透光性(high transparency)之塑膠表面的方法。
近年來，無論在國內外，與表面處理(surface treatment)或表面改變(surface modification)領域相關的研究相當的多。由於表面處理的對象非常廣泛，從傳統工業到現在的高科技工業，從以前的金屬表面到現在的塑膠或非金屬的表面。透過表面處理能夠使得材料更耐腐蝕、耐磨耗、耐熱及延長壽命。此外，透過表面處理亦可改善材料表面之特性、光澤美觀等提高產品之附加價值。
上述這些改變材料表面之物理，機械及化學性質之加工技術統稱為表面處理或稱為表面加工。其中，關於物體表面之超斥水性的研究及應用更是非常盛行，且已獲得許多不錯的成果。
一般而言，常見的形成具有超斥水性之塑膠表面的方法通常是採用化學塗佈法(chemical coating)或電漿處理法(plasma treatment)對塑膠表面進行處理，或是以上述方法處理微米結構塑膠表面，並無特定的限制。
然而，這些方法於處理後的表面所形成之超斥水性難以維持，無法維持一段很長的時間。此外，即使透過上述方式形成塑膠表面的超斥水性，但此一塑膠表面卻往往不具有良好的透光性，這兩項缺點均導致其應用範圍受到嚴重的侷限，而無法被廣泛地應用。
因此，本發明提出一種製造具有超斥水性及高透光性之塑膠表面的方法，以解決上述問題。
根據本發明之一具體實施例為一種製造具有超斥水性及高透光性之塑膠表面的方法。
於此實施例中，該方法係透過奈米熱壓印鑄造法(thermal nanoimprinting mold)於一環烯烴共聚合物(Cyclic-Olefin Copolymer,COC)材料之一表面形成具有次20奈米(sub-20nm)大小之複數個奈米草(nanograss)結構。
於實際應用中，於上述奈米熱壓印鑄造的過程中，該方法先加熱至一特定溫度，使得該環烯烴共聚合物材料形成具有良好流動性之熔體後，再將一鑄模壓印至該環烯烴共聚合物材料之該表面，以於該表面形成該複數個奈米草結構。其中，該特定溫度係略高於該環烯烴共聚合物材料之玻璃轉換溫度(glass transient temperature)，以使得該環烯烴共聚合物材料能夠形成具有良好流動性之熔體。
當該鑄模壓印至該環烯烴共聚合物材料之該表面時，該環烯烴共聚合物材料所形成的具有良好流動性之熔體即會緊密地填滿該鑄模之複數個奈米草鑄模單元間的複數個空隙，再經脫膜凝固後，於該環烯烴共聚合物材料之該表面即形成該複數個奈米草結構。
相較於先前技術，本發明係於環烯烴共聚合物材料表面形成具有高縱橫比的次20奈米大小的鋸齒狀奈米草結構，使得該環烯烴共聚合物材料表面能夠同時兼具有超斥水性及高透光度。
尤其是透過本發明之製造方法能夠使得具有奈米草結構之環烯烴共聚合物材料表面達到155度以上之接觸角的超斥水性，並且此一超斥水性塑膠表面於60℃之有機溶液中浸泡數周後性質仍然不變，再加上本發明所採用之製程相當簡便且製作成本低廉，故可有效增加其應用範圍並且節省製程成本，故具有相當的市場競爭力。
有鑒於近年來生醫、微機電及環保產業蓬勃發展且日漸受到矚目，故以本發明之製作方法所製成的產品應可滿足生醫、微機電及環保產業之實際需求，例如蛋白質吸取(protein absorption)、細胞培養(cell culturing)及自我清潔表面(self-cleaning surface)等應用，因此，本發明之製作方法極具商業上之利用價值。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
根據本發明之一具體實施例為一種製造具有超斥水性及高透光性之塑膠表面的方法。請參照圖一，圖一係繪示該製造具有超斥水性及高透光性之塑膠表面的方法之流程圖。
如圖一所示，首先，該方法將會執行步驟S10，透過氫電漿蝕刻法(hydrogen plasma etching)對一矽晶圓蝕刻以形成具有複數個奈米草鑄模單元之一矽鑄模。實際上，該方法亦可採用其他蝕刻方式(例如活性離子蝕刻法等乾式蝕刻法)對該矽晶圓進行蝕刻，並不以此例所採用之氫電漿蝕刻法為限。
接著，該方法將會執行步驟S12，加熱至一特定溫度以使得一環烯烴共聚合物材料形成具有良好流動性之熔體。於實際應用中，該方法所採用之該特定溫度通常係略高於該環烯烴共聚合物材料之玻璃轉換溫度(glass transient temperature)。
舉例而言，由於該環烯烴共聚合物材料的玻璃轉換溫度約為150℃，故該方法可採用160℃作為該特定溫度，但不以此為限。
接下來，亦請參照圖二(A)~(C)，圖二(A)~(C)係繪示本發明採用的奈米熱壓印鑄造法之步驟的示意圖。
當環烯烴共聚合物材料1已形成具有良好流動性之熔體後，該方法將會執行步驟S14，將鑄模2壓印至環烯烴共聚合物材料1之表面10。如圖二(A)所示，鑄模2包含複數個奈米草鑄模單元20，並且該複數個奈米草鑄模單元20均具有次20奈米大小及高縱橫比(high aspect ratio)。
實際上，鑄模2所包含之奈米草鑄模單元20的數目及排列的密集程度可視實際需要而定，並無特定之限制。
當鑄模2壓印至環烯烴共聚合物材料1之表面10時，由於表面10受到鑄模2之該複數個奈米草鑄模單元20向下的壓力，故表面10將會變為表面10'，如圖二(B)所示。
由於環烯烴共聚合物材料1已形成具有良好流動性之熔體，因此，該方法執行步驟S16，該具有良好流動性之熔體將會緊密地填滿鑄模2之該複數個奈米草鑄模單元20間的複數個空隙，如圖二(B)所示。
值得注意的是，由於環烯烴共聚合物材料1在超過其玻璃轉換溫度之溫度下會形成具有良好流動性之熔體，藉由此一特性，環烯烴共聚合物材料1之表面10'上才能夠形成具有高縱橫比的次20奈米大小之奈米草結構。
反之，若採用其他熔體流動性不佳之塑膠材料很可能導致熔體無法緊密而確實地填滿鑄模2之該複數個奈米草鑄模單元20間的複數個空隙，使得最後形成的奈米草結構具有較低的縱橫比，其斥水性亦較差。
最後，當熔體已緊密地填滿鑄模2之該複數個奈米草鑄模單元20間的複數個空隙後，該方法執行步驟S18，如圖二(C)所示，經脫膜凝固後，環烯烴共聚合物材料1之表面10'上即會形成有複數個奈米草結構12。
於實際應用中，該複數個奈米草結構12之數目則係對應於鑄模2之該複數個奈米草鑄模單元20間的該複數個空隙之數目，故可藉由控制鑄模2所包含之奈米草鑄模單元20的數目來調整環烯烴共聚合物材料1之表面10'上所形成之奈米草結構12的數目。
舉例而言，鑄模2總共包含有25個奈米草鑄模單元20，則該25個奈米草鑄模單元20之間將會形成有24個空隙，因此，環烯烴共聚合物材料1之表面10'上將會形成24個奈米草結構12。
請參照圖三(A)及圖三(B)，圖三(A)係繪示環烯烴共聚合物材料1之尚未形成奈米草結構的表面10之斥水性的示意圖；圖三(B)係繪示環烯烴共聚合物材料1之已形成奈米草結構的表面10'之超斥水性的示意圖。
如圖三(A)所示，當液滴P滴在環烯烴共聚合物材料1之尚未形成奈米草結構的表面10時，由於液滴P與表面10之接觸角為90°，故尚未形成奈米草結構的表面10僅具有一般的斥水性。如圖三(B)所示，當液滴P滴在環烯烴共聚合物材料1之已形成奈米草結構的表面10'時，由於液滴P與表面10'之接觸角為155°，故已形成奈米草結構的表面10'具有超斥水性。
請參照圖四，圖四係繪示環烯烴共聚合物材料1之尚未形成奈米草結構的表面10及已形成奈米草結構的表面10'對於不同波長之穿透光的透光率曲線。
如圖四所示，曲線A係代表環烯烴共聚合物材料1之已形成奈米草結構的表面10'對於不同波長之穿透光的透光率曲線；曲線B係代表環烯烴共聚合物材料1之尚未形成奈米草結構的表面10對於不同波長之穿透光的透光率曲線。
很明顯地，由於表面10'上所形成之該複數個奈米草結構具有次20奈米之大小，其尺寸夠小而較不會阻擋通過環烯烴共聚合物材料1之光線，使得表面10'具有高透光性。於實際應用中，其透光率較尚未形成奈米草結構的表面10提高約4~6%，但不以此為限。
相較於先前技術，本發明係於環烯烴共聚合物材料之表面形成高準直的次20奈米大小的鋸齒狀奈米草結構，使得該環烯烴共聚合物材料之表面能夠同時兼具有超斥水性及高透光性。
值得注意的是，透過本發明之製造方法能夠使得具有奈米草結構之環烯烴共聚合物材料表面達到155度以上之接觸角的超斥水性，並且此一超斥水性可以於60℃之溶液中維持數週之久，再加上本發明所採用之製程相當簡便且製作成本低廉，故可有效增加其應用範圍並且節省製程成本，故具有相當的市場競爭力。
有鑒於生醫、微機電及環保產業蓬勃發展且日漸受到矚目，故以本發明之製作方法所製成的產品應可滿足生醫、微機電及環保產業之實際需求，例如蛋白質吸取(protein absorption)、細胞培養(cell culturing)及自我清潔表面(self-cleaning surface)等應用，因此，本發明之製作方法極具商業上之利用價值。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
S10~S18．．．流程步驟
1．．．環烯烴共聚合物材料
2．．．鑄模
20．．．奈米草鑄模單元
10、10'．．．表面
12．．．奈米草結構
P．．．液滴
A、B．．．透光率曲線
圖一係繪示該製造具有超斥水性及高透光性之塑膠表面的方法之流程圖。
圖二(A)~(C)係繪示本發明採用的奈米熱壓印鑄造法之步驟的示意圖。
圖三(A)係繪示環烯烴共聚合物材料之尚未形成奈米草結構的表面之斥水性的示意圖。
圖三(B)係繪示環烯烴共聚合物材料之已形成奈米草結構的表面之超斥水性的示意圖。
圖四係繪示環烯烴共聚合物材料之尚未形成奈米草結構的表面及已形成奈米草結構的表面對於不同波長之穿透光的透光率曲線。
S10~S18．．．流程步驟
Claims (11)
- 一種製造具有超斥水性(superhydrophobicity)及高透光性(high transparency)之塑膠表面的方法，包含下列步驟：(a)透過奈米熱壓印鑄造法(thermal nanoimprinting mold)於一環烯烴共聚合物(Cyclic-Olefin Copolymer,COC)材料之一表面形成具有次20奈米(sub-20nm)大小之複數個奈米草(nanograss)結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該複數個奈米草結構具有高縱橫比(high aspect ratio)。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟(a)包含下列子步驟：(a1)加熱至一特定溫度，使得該環烯烴共聚合物材料形成具有良好流動性之熔體；以及(a2)將一鑄模壓印至該環烯烴共聚合物材料之該表面，以於該表面形成該複數個奈米草結構。
- 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該特定溫度係高於該環烯烴共聚合物材料之玻璃轉換溫度(glass transient temperature)。
- 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該鑄模包含複數個奈米草鑄模單元，並且該複數個奈米草鑄模單元均具有次20奈米大小及高縱橫比。
- 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中於步驟(a2)中，當該鑄模壓印至該環烯烴共聚合物材料之該表面時，該環烯烴共聚合物材料所形成的具有良好流動性之熔體即會緊密地填滿該鑄模之該複數個奈米草鑄模單元間的複數個空隙，經脫膜凝固後即於該環烯烴共聚合物材料之該表面形成該複數個奈米草結構。
- 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該鑄模之該複數個奈米草鑄模單元係透過氫電漿蝕刻法(hydrogen plasma etching)對一矽晶圓蝕刻而形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該環烯烴共聚合物材料具有該複數個奈米草結構之該表面的接觸角大於155度，使得該表面具有超斥水性。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該表面之超斥水性可於一60℃的溶劑溶液中維持至少一週的時間。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中通過該環烯烴共聚合物材料之該表面的光線不會被該表面上具有次20奈米大小的該複數個奈米草結構所阻擋，使得該表面具有高透光性。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中當該表面形成該複數個奈米草結構之後，其可見光之透光率較原來增加4~6%。
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| TWI256401B (en) * | 2002-12-17 | 2006-06-11 | Roehm Gmbh | Plastics articles which inhibit water droplet formation and process for producing it |
| US20070231542A1 (en) * | 2006-04-03 | 2007-10-04 | General Electric Company | Articles having low wettability and high light transmission |
| US20090136741A1 (en) * | 2007-11-28 | 2009-05-28 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Nanoscopically modified superhydrophobic coating |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101033273B1 (ko) * | 2008-03-27 | 2011-05-09 | 서울대학교산학협력단 | 초소수성 폴리머 구조물의 제조 |
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2009
- 2009-08-20 TW TW098128022A patent/TWI386297B/zh not_active IP Right Cessation
- 2009-12-15 US US12/654,224 patent/US20110042850A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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