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2016年2月
湿法刻蚀对疏水纸接触角的影响
湿法刻蚀对疏水纸接触角的影响
罗佳婷吴玫谍林烁虹杨帆
(韩山师范学院化学与环境工程学院,广东潮州521041)
摘要:本文研究采用十八烷基三甲氧基硅烷的正庚烷溶液做疏水剂制备疏水滤纸,
其原理是通过十八烷基三甲氧基硅烷与滤纸纤维表面羟基进行缩合反应降低其表面自由
能,使滤纸由亲水性变为疏水性。进而用氢氧化钠作刻蚀剂使被腐蚀部分恢复亲水性。
我们研究了不同刻蚀条件对疏水纸接触角的影响。该方法在纸芯片加工上有广泛的应用
前景。在亲水纸质花瓣模型的辅助作用下,通过滴加氢氧化钠于亲水纸质花瓣上进行选
择性区堿腐蚀降解,亲水纸质花瓣覆盖区域重新恢复滤纸的亲水性,而无亲水纸质花瓣覆
盖的区域依然保持强的疏水性,因而在滤纸上得到与亲水纸质花瓣一致的亲水图案。
关键词:十八烷基三甲氧基硅烷纸芯片
1背
实验部分
纸芯片分析技术1?是最近几年新发展起来的
2.1实验试剂及仪器材料
种微型分析技术。该技术在亲水性纸质材料上(主要
2.1.1试剂
是滤纸)加工出疏水墙( hydrophobic barrier),在毛细作
十八烷基三甲氧基硅烷液体( trimethoxyoctadecylsi
用力下,水溶液在亲水通道中流动、混合及反应。所选lane)(购自阿拉丁试剂有限公司);乙酸乙酯(分析
择的反应体系一般为显色反应,因此通过目视比色法纯);正庚烷(分析纯);蒸馏水;浓盐酸(分析纯);无水
可进行半定量分析或拍照后提取检测区的灰度值进行乙酸钠(AR);丙三醇(AR);曲拉通X-100(AR);
定量分析。与在传统的玻璃、硅、聚合物等材质上加工H2O。·H1O(AR)
的微流控芯片分析技术相比,纸芯片分析技术具有芯
2.1.2仪器材料
片加工简单、快速、使用方便、价格低廉、无需流体驱动
滤纸(杭州新华纸业有限公司);YH-946B数显调
装置(如注射泵等)等明显优点。在临床检验い、食品温微电脑加热板(嘉慧电子エ具公司);FA2004N型电
分析与环境检测方面具有广泛应用前景。
子天平;0.5-10pL、10-100uL、100-100uL移液枪
纸芯片的加工方法主要分为三类。第一类是通过(上海康敏检验设备有限公司)数码照相机(佳能
光刻、激光刻蚀?和喷蜡打印方式在滤纸上加工出能ixus95is);静水滴接触角测试仪(JC2004上海中晨数
限制水溶液流动区域的疏水坝。但是此类方法需要使字技术设备有限公司)
用价格高昂的光刻机、二氧化碳激光机或喷蜡打印机
2.2纸芯片的加工
等,由于代价较高且需要训练有素的专业人员对仪器
疏水纸的制备:预先将滤纸裁剪成5x5规格放人
进行操作与维护,在实际应用中受到较大限制。第二20%的十八烷基三甲氧基硅烷的正庚烷溶液内(含5%的
类方法是通过空金属模将疏水材料(如蜡)以物理沉乙酸乙酯)内,待滤纸完全湿透后马上取出,平铺放置在于
积的方式在亲水滤纸上形成疏水墙,没有沉积硫水材净的表面皿上,室内自然风干,min后将其放到微电脑电
料的区域维持亲水性能。第三类方法是采用喷墨打印热板上100℃加热2h,并置于室内放置24h。
技术将聚二甲基硅氧烷( polydimethylsiloxane,PDMS)与
纸模的加工:用 Coreldraw软件设计芯片图案,将其打
烷基烯阴二聚物( alkyl ketene dimer,AKD)等硫水性材印在4纸大小的滤纸上,用剪刀将图案剪下用作纸模。
料打印在亲水性滤纸上,打印了疏水材料的区域由亲
水性转变为疏水性,没有打印到的区域维持其亲水性
能。喷銎打印技术可以进行纸芯片的大规模加工,在
商品化纸芯片的制备上具有无可比拟的优点。但是喷
打印液一般使用具有强溶解能力的有机溶剂配制而
成,如甲苯、正庚烷等,对打印机和墨盒具有较强的破
坏能力,大大降低打印机和盒的使用寿命。
本文利用氢氧化钠对疏水滤纸的廣蚀性,在疏水
滤纸上用浸有氢氧化钠的滤纸模选择性地将覆盖部分
修饰成亲水性质,其他部分保持疏水性,制备出纸芯
片。研究了不同刻蚀条件对疏水纸接触角的影响。
图1亲水花瓣形模子制作前
江西化工
2016年第1期
(其中包含与材料表面的缩合和自身的缩合两种
反应以及两种反
应的相互交合,R'代表材料表面或者水解后的疏
水剂的烷基部分)。
由以上的两个反应可知,由于在水解反应同时存
在着缩聚反应,而缩聚反应速率小于水解反应,故乙酸
乙酯的存在可以促提高缩聚反应速率。经缩聚反应,
在滤纸表面修饰上了一层十八烷基甲氧基硅烷(R-Si
0-材料表面),减低了表面自由能,从而达到了疏水
结构的要求。
图2亲水花形模子制作后
3.2十八烷基三甲氧基硅烷浓度对硫水纸亲疏
纸芯片的加工:纸模浸入0.1molL的氢氧化钠溶水性的影响
液(含30%甘油)中约105使其被氢氧化钠浸透,然后
研究了用不同浓度十八烷基三甲氧基硅烷(0.1%
将纸模置于疏水纸上,用玻璃片压紧后置于60℃加热-4.0%)处理亲水滤纸对制备的疏水纸亲疏水性的影
板上加热5分钟后使疏水纸被氢氧化钠溶液刻蚀浸响。实验结果表明,当疏水剂浓度为0.1%时,处理的
透,因此被覆盖纸模部分被选择性地修饰成亲水性质,滤纸仍然具有强亲水性,将水滴加到处理后的纸上时,
而未被覆盖区域仍保持疏水性。将处理后的疏水纸分水迅速渗透进人纸张。当疏水剂浓度增加至0.25%
别用0.01mol/L的H?和蒸馏水清洗后,烘干备用。
时,处理后的滤纸具有较强的疏水性,接触角为
110.5°。十八烷基三甲氧基硅烷浓度在0.25%-4.
0%范围内,疏水纸接触角随浓度的增加而增大,表明
疏水剂的浓度越高,所得到的疏水纸的疏水性越强。
但是疏水性越强,用刻蚀剂使疏水纸恢复亲水功能所
花费的时间则显著增加。例如采用0.1moLL的氢氧
化钠作刻蚀剂,需耗时30分钟以上才能使经4.0%疏
水剂处理的疏水纸恢复亲水性,而0.25%疏水剂处理
的疏水纸仅需1分钟。综合考虑疏水墙的疏水性与加
工速度,本文选择2.0%的十八烷基三甲氧基硅烷作
硫水剂将亲水性的滤纸修成疏水纸。
图3湿法刻蚀加工纸芯片的示意图
3.3刻蚀温度对接触角的影响
3结果与讨论
如图4-7所示,在30-60℃,接触角随刻蚀温度
3.1疏水滤纸形成机理
的升高而降低,在刻蚀温度为60℃时,纸张的接触角降
滤纸的疏水状态与表面形貌和表面自由能有很大为0。继续升高温度,接触角仍然为0。因此本实验选
的关系,滤纸是纤维素交织在一起组成的一种膜,这种择60℃为刻蚀温度加工纸芯片。
膜已经具有了微米级的孔状结构,只需要在其表面修
饰上纳米级的微粒,并降低其表面自由能即可达到超
疏水状态。纸张表面是纤维素,含有丰富的一OH,与本
文研究的疏水剂十八烷基三甲氧基硅烷发生脱水缩
合,可以与纤维等材料表面的羟基更强地结合,并且具
有很好的生理化学情性、无毒害、不污染生态环境,使
其具有有机硅材料的特性。根据相关文献介绍,有机
硅氧烷反应脱水缩合,其反应可写成如下过程
(1)水解反应(快):
R-SI(OCH, ) H0-+R-SI(OCH, ), OH
)CH