PDMS表面氧等离子体处理提高亲水润湿性能-plasma

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种有机硅聚合物,俗称硅橡胶。由于PDMS具有很多优点,因此近年来应用越来越广泛,尤其被用来制造各种微纳米器件。例如,由于PDMS价格低廉、透光性好以及生物相容性好,且易于采用浇注成型等方法进行微纳米沟道的制作,PDMS已成为微流控芯片最常用的一种加工材料。再如,由于PDMS具有良好的柔性和可延展性,PDMS也常被用来作为各种柔性电子器件的基底材料。

在制造各种PDMS微纳米器件的过程中,往往需要先在PDMS基片表面进行光刻胶的图形化,然后对PDMS基片进行各种微加工,或者在PDMS表面利用剥离等工艺制作金属微结构。

然而,由于PDMS表面润湿性差、热膨胀系数大等特点,导致在其表面很难采用标准的光刻工艺进行光刻胶的图形化,光刻胶往往会出现裂纹等缺陷。因此需要对PDMS表面进行改性，来提高其表面的润湿性能。

材料表面改性处理技术是当前材料学科研究的前沿领域,在过去的几十年中,已经广泛使用各种改性技术(例如化学处理和蚀刻、臭氧处理、紫外线辐射和等离子体处理)来定制材料表面特性。对比不同改性技术的处理速度、均匀性、化学灵活性和对环境的影响,可知等离子表面改性处理是目前材料学研究领域中最具前景的技术之一,等离子体表面改性技术通过在一些表面性能较差的材料表面上结合各种官能团来对材料进行改性处理,以提高它们表面的湿润性,粘附性和生物活性反应,等离子体处理通常只对材料进行表面的改性,而不会改变它们的整体性能

PDMS表面氧等离子体处理提高亲水润湿性能

在实验过程中发现,光刻胶无法均匀地旋涂在未经过任何处理的PDMS基片表面,光刻胶不能够形成一个完整的薄膜,如图1(a)所示。这主要是由于PDMS的表面润湿性差,导致光刻胶无法有效地在PDMS表面均匀铺展。因此,为了提高PDMS的表面润湿性,在旋涂光刻胶之前,采用氧等离子体对PDMS基片表面进行改性处理。如图1(b)所示,在经过氧等离子体改性处理后的PDMS基片表面,光刻胶能够均匀地旋涂,形成一个完整的薄膜。

图1 PDMS基片表面旋涂的光刻胶

接触角可以衡量一个表面的润湿性,为了研究氧等离子体处理对于PDMS基片表面润湿性的影响,利用一台光学接触角测量仪,分别对等离子体改性处理前的PDMS基片和改性处理后的PDMS基片表面进行接触角测量。

测试用的PDMS基片外形尺寸均为25mm×25mm×1mm,随机选取了3片PDMS基片。在每片PDMS基片表面的3个不同位置,分别进行了接触角测量,所有测量数据如表1所示。可以看出,等离子体改性处理前的PDMS表面为疏水性表面,其接触角平均值为111.03°,经过很长时间,水滴仍然无法在其表面铺展,如图2(a)所示。然而,经过氧等离子体改性处理后,PDMS表面由疏水性表面变为了亲水性表面,其接触角平均值减小到了29.50°,水滴瞬间便会在PDMS表面铺展开来(图2(b))。

PDMS基片氧等离子处理前后水滴角对比

可见,氧等离子体改性处理的确可以非常有效地提高PDMS表面的亲水润湿性,从而使得光刻胶可以均匀地旋涂在PDMS基片表面,形成完整的光刻胶薄膜。