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研究生： 蔡志杰
Tsai, Chih-Chieh
論文名稱： 探討二甲基矽氧烷表面及微柱陣列蝕刻後之疏水性
Investigation of hydrophobicity of etched polydimethylsiloxane surface and micropillars array
指導教授： 莊怡哲
Juang, Yi-Je
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年： 2019
畢業學年度： 107
語文別： 中文
論文頁數： 83
中文關鍵詞： PDMS 、圓柱表面 、濕潤轉變 、卡西狀態 、超疏水表面
外文關鍵詞： polydimethylsiloxane (PDMS), micropillar array, droplet wetting transition, contact angle, Cassie and Wenzel state
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    • 超疏水表面在近年來引起廣泛的研究與討論，於材料的表面製備微陣列並透過靜態接觸角或傾斜角的分析，可以了解並透過特定參數去轉換表面的親疏水特性。本研究利用CNC微鑽法雕刻出規則尺寸的陣列模具，透過PDMS高分子翻模並加以蝕刻， 探討陣列的間距及高度等參數以及蝕刻對於接觸角的影響。將不同間距、不同高度的PDMS陣列進行蝕刻，觀察在不同蝕刻時間下接觸角的變化，我們發現隨著蝕刻時間增加，陣列的間距增大，液滴狀態轉換符合與接觸角先增後降的趨勢吻合，且表面狀態轉換時之陣列間距與直徑比值都接近。此外，我們比較蝕刻與未蝕刻的陣列，發現蝕刻後的陣列雖然接觸角並未有明顯的提升，但液滴的接觸角變化較不劇烈，推測可能是蝕刻後形狀變化造成的影響。我們亦研究不規則表面的疏水性質，將鋁塊蝕刻並翻模，製備出不規則的表面並探討粗糙度與接觸角的關係。

    In this study, we investigated the hydrophobicity of Polydimethylsiloxane (PDMS) surface with etched micropillars. The PDMS micropillars array was produced through casting the cylindrical wells on the polymethylmethacrylate substrate, which were generated by com-puter numerical control (CNC) machine. Then the PDMS micropillars array was dipped into the etching solution. As the etching time increased, the spacing between micropillars (W) increased and the diameter of the micropillars (D) decreased. It was found that the ses-sile drop remained Cassie-like state at small W/D. As W/D increased, the droplet gradually turned into the Cassie-Wenzel transition state and finally Wenzel-like state. With D and the height of the micropillars (H) between 100 and 300 micron, initial W didn’t affect the value of transition W/D.. Also the contact angle gradually decreased after transition W/D when using the micropillars array with different heights.

    目錄 中文摘要 I Extended Abstract II 誌謝 VII 目錄 VIII 表目錄 XI 圖目錄 XII 第1章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 1 第2章 文獻回顧 2 2.1 超疏水表面 2 2.2 超疏水理論 4 2.2.1 楊氏(Young)方程式 4 2.2.2 溫佐(Wenzel)方程式[6, 7] 5 2.2.3 卡西(Cassie)方程式[9, 10] 6 2.2.4 其他 7 2.3 卡西溫佐狀態轉換 8 2.4 超疏水表面的製備 9 2.4.1 模板法(Template) 9 2.4.2 電紡織法(Electrospinning) 10 2.4.3 溶膠-凝膠法(Sol-gel reaction) 12 2.4.4 層層堆積法(Layer-by-layer) 14 2.4.5 蝕刻法(Etching) 16 2.5 規則狀超疏水表面 17 2.5.1 圓柱型、圓錐形超疏水表面 17 2.5.2 T字型超疏水表面 20 2.6 製備Polydimethylsioxane(PDMS)超疏水表面 23 2.7 超疏水表面的應用 27 第3章 實驗材料與方法 30 3.1 實驗藥品與材料 30 3.2 實驗儀器 32 3.3 實驗步驟 36 第4章 結果與討論 40 4.1 規則狀的PDMS百微米圓柱陣列表面探討 40 4.1.1 製備具有圓柱結構超疏水表面並蝕刻 40 4.1.2 製備具有不同高度之PDMS圓柱陣列表面 60 4.2 非規則狀PDMS表面探討 64 第5章 結論 68 第6章 未來工作與建議 69 第7章 參考文獻 70 第8章 附錄 77   表目錄 表 3 1、實驗所用藥品資訊 33 表 3 2、CNC雕刻機參數 42 表 4 1、未蝕刻圓柱陣列Cassie–Wenzel transition 的W/D實驗值及理論值 64 表 8 1、SU-8 光阻旋轉塗佈參數 86 表 8 2、光阻軟烤參數 86 表 8 3表光阻曝光參數 87 表 8 4表光阻曝後烤參數 87 表 8 5、SU-8 硬烤參數 88   圖目錄 圖 2 1、蓮花表面結構SEM圖[1] 3 圖 2 2、蓮葉表面自潔效果示意圖。(a)液滴於平滑表面滑動，汙染物未被帶走(b)液滴於微米奈米結構表面滑動，汙染物被液滴帶走[1] 3 圖 2 3、楊氏方程式示意圖[5] 4 圖 2 4、溫佐疏水模型示意圖[8] 5 圖 2 5、卡西疏水模型示意圖[8] 6 圖 2 6、五種超疏水表面之示意圖[11]。(a) Wenzel’s state (b) Cassie’s state (c) Lotus state (d) Wenzel’s state和Cassie’s state之間的過渡狀態 (e) Gecko state 7 圖 2 7、水珠氣液界面示意圖[16] 8 圖 2 8、製備具白金奈米線陣列的超疏水表面示意圖[20] 10 圖 2 9、不同頂部結構的PS柱狀物之SEM圖。(a)平整(b)頂部凹陷(c)奈米管狀[21] 10 圖 2 10、纖維表面粗糙化之示意圖與SEM圖[23] 11 圖 2 11、纖維添加微米尺寸粒子之SEM圖[24] 11 圖 2 12、雙層結構示意圖與兩段塗佈：第一階段為5%的PVDF溶液，第二階段為10%的FSM與1%的PVDF混和溶液之SEM圖[25] 12 圖 2 13、利用溶膠-凝膠法製備超疏水表面之SEM圖[26] 13 圖 2 14、銅基板蝕刻與單步驟溶膠-凝膠法製作流程和超疏水表面SEM圖[27] 13 圖 2 15、製備覆盆子狀複合粒子表面流程圖與粒子SEM圖[28] 14 圖 2 16、在皺紋表面上含有超疏水奈米片狀結構之示意圖與SEM圖與實際靜態水珠圖[29] 15 圖 2 17、超疏水表面自我復原示意圖[30] 15 圖 2 18、(a-c)鋁塊經鹽酸蝕刻8分鐘後之FESEM圖[32](d-f)鋁塊經蝕刻後浸泡熱水15分鐘的FESEM圖[32] 16 圖 2 19、矽圓柱陣列SEM圖[33] 18 圖 2 20、氧電漿蝕刻SU-8微米奈米複合結構圓柱SEM圖[34] 18 圖 2 21、XeF2蝕刻具有奈米粗糙度的矽柱子SEM圖[35] 18 圖 2 22、低深寬比與高深寬比之玻璃圓錐陣列SEM圖與水珠接觸角圖[36] 19 圖 2 23、頂部為方形與圓形的蘑菇狀柱子超疏油表面之SEM圖[38] 21 圖 2 24、左為釘子狀奈米柱子SEM圖，右為具有頂部突出的蜂巢狀牆壁超疏油表面SEM圖[39] 21 圖 2 25、聚胺脂蘑菇狀超疏水表面之SEM圖[40] 21 圖 2 26、A為double re-entrant結構示意圖，頂部直徑D~20μm，柱子邊到邊距離P=100μm，下折長度δ~1.5μm，下折厚度t~300 nm。B~E為SEM圖[42] 22 圖 2 27、PDMS微米/奈米雙尺度柱子表面製備示意圖及SEM圖[43] 24 圖 2 28、可彎式PDMS圓柱超疏水表面製備示意圖及SEM圖[44] 24 圖 2 29、CuO模具製備PDMS柱子陣列表面流程圖[45] 25 圖 2 30、立體擴散微影法製備倒梯形PDMS柱子示意圖與結構SEM圖與水和甲醇的接觸角圖片[46] 25 圖 2 31、雷射製備各個具有不同吸附力的超疏水表面示意圖與SEM圖[49] 26 圖 2 32、TCMS/PFDTS塗層製備圖與超疏油表面與其透明度示意圖[50] 27 圖 2 33、蘑菇狀PDMS超疏油表面SEM圖與表面耐用度圖[51] 28 圖 2 34、含有PDMS/ODA塗層的PET布料製備示意圖[52] 29 圖 2 35、摩擦測試後PET布料的疏水性測試[52] 29 圖 3 1、CNC雕刻機 32 圖 3 2、帶鋸機 32 圖 3 3、真空幫浦與真空皿 33 圖 3 4、氧電漿清潔器 33 圖 3 5、倒立式光學顯微鏡與外接影像擷取系統 34 圖 3 6、共軛焦顯微鏡 34 圖 3 7、立體顯微鏡 35 圖 3 8、高速攝影機 35 圖 3 9、接觸角測量儀 36 圖 3 10、PDMS圓柱結構示意圖 38 圖 4 1、平板PDMS表面之接觸角測量圖。(a)未蝕刻PDMS表面接觸角測量圖(b)蝕刻15分鐘PDMS表面接觸角量測圖 41 圖 4 2、D=130μm、H=100μm、W=20μm之PDMS圓柱陣列。(a)側面圖(200X) (b)接觸角量測圖 42 圖 4 3、D=73.6μm、H=78.7μm、W=73μm之PDMS圓柱陣列。(a)側面圖(200X) (b)接觸角量測圖 42 圖 4 4、D=49μm、H=71.6μm、W=96.2μm之PDMS圓柱陣列。(a)側面圖(200X) (b)接觸角測量圖 43 圖 4 5、D=43.9μm、H=67.1μm、W=103.9μm之PDMS圓柱陣列。(a)側面圖(200X) (b)接觸角測量圖 43 圖 4 6、水珠體積5μl，起始D=130μm、起始W=20μm、起始H=100μm的圓柱陣列經不同時間蝕刻後接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 44 圖 4 7、水珠體積5μl，起始D=127μm、起始H=71.6μm、起始W=60μm的圓柱陣列經不同時間蝕刻後接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 46 圖 4 8、水珠體積5μl，起始D=127μm、起始W=160μm、起始H=81μm的圓柱陣列經不同時間蝕刻後接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 47 圖 4 9、水珠體積5μl，起始D=127μm、起始H=71.6μm、起始W=60μm的圓柱陣列蝕刻15分鐘後的接觸角(CA)測量圖(a)液滴剛放置(b)液滴放置10分鐘。 47 圖 4 10、水珠體積5μl，D=133μm、H=100μm，不同起始W的圓柱陣列經不同時間蝕刻後接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 48 圖 4 11、水珠體積5μl ，起始D=133μm、起始H=193μm、起始W=62μm的圓柱陣列經不同時間蝕刻接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑比值(W/D)關係圖。 49 圖 4 12、起始高度分別為71.6μm及193μm之接觸角(CA)與W/D比較圖。 50 圖 4 13、液滴5μl (a)圓柱起始高度71.6μm，W/D=3.7，接觸角114° (b) 圓柱起始高度193μm，W/D=3.9，接觸角143.2∘。 51 圖 4 14、在D=100μm不同間距的PDMS圓柱表面，PC與體積5μl水珠之PL關係圖。 53 圖 4 15、水珠體積5μl，D=230μm、H=100μm未蝕刻圓柱陣列接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 54 圖 4 16、水珠體積5μl，D=230μm、H=200μm未蝕刻圓柱陣列接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 55 圖 4 17、水珠體積5μl，D=323μm、H=300μm未蝕刻圓柱陣列接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 56 圖 4 18、未蝕刻圓柱陣列不同參數的接觸角(CA)及圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 57 圖 4 19、圓柱陣列不同蝕刻時間下的形狀差異。(a)陣列未蝕刻。(b)蝕刻5分鐘。(c)蝕刻7分鐘。(d)蝕刻10分鐘。(e)蝕刻15分鐘。(f)蝕刻20分鐘。 58 圖 4 20、起始高度100μm，蝕刻對接觸角之影響。 59 圖 4 21、起始高度200μm，蝕刻對接觸角之影響。 60 圖 4 22、高低交錯的圓柱陣列示意圖 61 圖 4 23、高柱間距W=200µm之接觸角量測圖。 61 圖 4 24、高低柱間距W=200µm之接觸角量測圖。(a)由高柱頂端畫baseline(b) 由低柱頂端畫baseline 62 圖 4 25、高低柱間距W=300µm之接觸角量測圖。 63 圖 4 26、水珠體積5μl，D=100μm之高低柱陣列、高度100μm陣列、高度200μm陣列接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 64 圖 4 27、鋁塊翻模後之PDMS表面，未蝕刻。(a)PDMS表面結構圖(b)接觸角測量圖(c)PDMS剖面結構圖 65 圖 4 28、鋁塊翻模後之PDMS表面，蝕刻5分鐘。(a)PDMS表面結構圖(b)接觸角測量圖(c)PDMS剖面結構圖 66 圖 4 29、鋁塊翻模後之PDMS表面，蝕刻15分鐘。(a)PDMS表面結構圖(b)接觸角測量圖(c)PDMS剖面結構圖 67 圖 8 1、旋轉塗佈機 77 圖 8 2、雙面對準/UV光感奈米壓印機 78 圖 8 3、PDMS微流道製作過程 81 圖 8 4、水珠體積5μl，H=20μm圓柱陣列接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 82 圖 8 5、水珠體積5μl，H=80μm圓柱陣列接觸角(CA)與圓柱間距和圓柱直徑的比值(W/D)關係圖。 83  

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    下載圖示 校內：2024-06-25公開
    校外：2024-06-25公開
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