CN101300702A - 具有偏向润湿表面的流体处理装置 - Google Patents

Abstract

一种具有各向异性润湿表面的流体处理装置，包括其上具有多个不对称的、形状基本一致的不平整部的基部。各不平整部具有相对于基部的第一不平整部升角和第二不平整部升角。不平整部被构造成提供大于或小于1的期望固位力比率(f₁/f₂)，该固位力比率(f₃/f₂)由第一粗糙部升角和第二粗糙部升角之间的不对称引起，由公式：f₃/f₂＝sin(ω₃+1/2Δθ₀)/sin(ω₂+1/2Δθ₀)决定。

Description

具有偏向润湿表面的流体处理装置

相关申请

本申请要求均于2005年9月16日提交的题为“具有偏向润湿表面的流体处理装置”的第11/229,478号美国专利申请、题为“具有各向异性润湿表面的微流体装置”的第11/228,866号美国专利申请、题为“具有各向异性润湿表面的燃料电池”的第11/229,080号美国专利申请的优先权，通过完全引用将其合并在此。注意：已经提交将上述引用的申请变更为临时申请的请求，然而，这样的变更并不意欲对上述引用的申请要求优先权构成影响。

技术领域

本发明大致涉及流体处理装置，尤其涉及流体处理装置的润湿表面。

背景技术

许多工业工艺涉及液体与固体表面的相互作用。通常，需要控制或影响相互作用的方式，尤其是表面润湿的程度，以达到特定的结果。例如，有时将表面活性剂添加到清洗工艺所采用的液体中，以达到更多的表面润湿。在相反的情形中，有时将防水性涂层添加到布料中以减小表面润湿并加快布料的干燥速度。

过去数十年间，有许多研究已经致力于分析和理解影响表面润湿的原则和特性。液体“厌性”表面，即具有抗液体润湿性的表面尤其受到关注。这样的表面在液体特定地为水的时候可被称为是疏水的，以及相对于水和其它任何液体来说是疏液的。若表面抗润湿的程度达到小水滴或其它小液滴与表面成非常高的静止接触角度(大于约120度)，若表面成显著减小的倾角以保持液滴，或若当表面完全浸没在液体中时表面上存在液体-气体-固体界面，则该表面通常可称为超疏水或超疏液表面。本申请中，术语超厌性通常用来指超疏水和超疏液表面两者。

在商业和工业应用中，可排水表面出于许多原因而受到特别的关注。几乎在液体必须从表面干燥掉的任何工艺中，如果表面能散发液体而无需加热或长时间的干燥，则可产生显著的效果。通常器具具有所需的用于干燥的朝向，使流体不会由于重力的影响而留在孔穴或低凹处中。

此外，与常规的表面相比，超厌性表面的液体和表面之间的摩擦显著减小。因而，极其需要偏向润湿表面来减小某些方向的表面摩擦力，并在宏观尺度使得在大量液压和水力应用中，尤其是微流体应用中的流动增加。在某些微流体应用中，需要流体以一个方向比与之相对的方向更便利的方式流经导管。在其它情形中，需要使流体保持在装置的某一部分内或需要减小它们的流速。

众所周知，表面的粗糙度对表面润湿度具有重要影响。通常可观察到，在一些情况下，与相应的光滑表面相比，表面粗糙可使液体较紧密地附著在其上。但是，在一些情况下，与光滑表面相比，表面粗糙可使液体较不紧密地附著在其上。在一些情况下，表面粗糙可使表面显现出偏向润湿。

先前已有研究尝试人为地使表面粗糙化以生成超疏液表面。粗糙表面通常采用基层件的形式，其具有大量微尺度至纳米尺度的凸块或孔穴，在此称为“不平整”。

表面润湿性对特定的流体处理产品可具有显著影响。例如，燃料电池中的流体管理和润湿性能已成为最近研究的主题。燃料电池设计中一直存在的难题是管理电池中的水。燃料电池生成水来作为反应产物。在某些情况下，水在电池内很快被解析出。这样的水通常产生于电池的阴极侧，并且若允许累积水的话，会限制或阻止燃料流进入电池。这样的情形在本领域中被称为“阴极水满溢”。此外，电池和周围环境之间的温差可很大，使得操作过程中随着空气进出电池，而经常发生水蒸气冷凝。

通常，双极板的表面设有排水槽，使得水被导向通过槽到达积集区以从电池排干。此外，双极板通常由具有较低表面能量的材料制成，以使水更容易从双极板排干。但是，这些措施都无法完全成功地消除燃料电池中的阴极水满溢和水管理问题。尤其是，即使在燃料电池中采用诸如PTFE的低表面能量材料，水滴也可能附着在双极板上和电池内的其它表面上，而不是像所需要的那样排干。工业中所需要的燃料电池必须具有有助于改进电池中排水的组件。

对于另一个例子，微流体装置设计中的重要因素是流体与装置的微槽中的表面接触而引发的流体运动的阻力。可能需要控制微流体装置内的流体流动，使流体在一个方向上与另一方向相比更易于流动。通常，反应物会从一个或多个入口流进微流体装置，并且产物会从一个或多个出口流出。有时，反向流动可导致反应物污染或其它问题。工业中所需的微流体装置具有流体流动槽，其具有可预知的各向异性或对流体流动的偏向阻力。

发明内容

在一个实施例中，本发明包括流体处理装置，其包括具有各向异性润湿性的、耐用的、通常为疏液或超疏液的表面。即流体在流经表面时会表现出取决于流体流动的方向的可变阻力。各向异性润湿表面通常包括具有大量凸起的、非对称的、规则形状的微尺度或纳米尺度不平整部的基部。对于本申请而言，流体处理装置包括管道、管件、接头、阀、流量计、桶、泵、润湿燃料电池组件、微流体装置和组件，以及可用来处理、传输、包含或传送流体的其它任何装置或组件。液体处理装置也可包括吸管、滴定管、烧瓶、烧杯、管件、喷嘴、接头以及实验室或制造工艺环境中用来测量和转移流体的其它装置。

不平整部可形成于基材内或基材本身上，或形成于设置于基部表面的一层或多层材料层内。不平整部可以是任何规则或不规则形状的三面实体或孔穴，并且可以任何规则的几何模式设置或随机设置。

可采用已知的成型和冲压法，通过将工艺中所采用的模具或压模的加工部件构造出纹理来形成根据本发明的微尺度不平整部。工艺可包括注塑成型、纹理压光辊挤出成形、压塑成型工具或适合形成微尺度不平整部的其它任何已知的工具或方法。

形成较小尺度的不平整部可采用光刻或采用纳米加工、微压印、微接触印刷、自组装金属胶体单层、原子力显微镜纳米加工、溶胶-凝胶成形、自组装单层有序图案、化学蚀刻、溶胶-凝胶压印、胶体油墨印刷或通过在基部上放置平行碳纳米管层。

生成不对称的不平整部可使表面的流体保持力产生偏向。这个方法既可应用于平坦面，也可应用于诸如管或槽的曲面。有偏向的流体保持力可结合到常规的润湿表面，也可结合到超厌性表面。不对称特性可为随机或周期性的设计。周期性的不平整部可成两维变化，诸如结构条纹、脊、槽或沟。周期性的不平整部也可成三维变化，诸如杆、截头圆锥、圆锥或坑。不平整部的尺寸、形状、间距和角度可进行定制以达到所需的各向异性润湿性能。

通常，各向异性润湿性对表面上的液滴和管、槽、渠道内的液块是有效的。具有各向异性润湿性的表面可被用来确保小液滴或液块从表面完全排干，或可选地可有助于确保液滴或液块被保留，使得在倾倒或排水过程结束时发生漏水的危险减小。

附图说明

图1是根据本发明的具有各向异性流体接触表面的一段管件的局部纵向剖视图；

图2是图1中的该段管件沿剖面线2-2的横剖视图；

图3是根据本发明的连接两段管道的90度弯管接头的局部纵向剖视图；

图4是根据本发明的三通阀组件的剖视图；

图5是根据本发明的双通阀组件的剖视图；

图6是根据本发明的直列式流量器组件的剖视图；

图7是根据本发明的直列式流量器视管的剖视图；

图8是根据本发明的具有各向异性润湿流体接触表面的微流体装置的分解图；

图9是沿图8的截面9-9的图8装置的横剖视图；

图10是根据本发明的微流体装置的替代实施例；

图11是根据本发明的具有各向异性流体接触表面的燃料电池组装置的横剖视简图；

图12是图11的燃料电池组装置的局部放大图，示出了装置中的一个槽；

图13a是具有光滑壁面的毛细管的剖视图；

图13b是具有对称不平整部的壁面的毛细管的剖视图；

图13c是具有不对称不平整部的壁面的毛细管的剖视图；

图14是毛细管中的液块的剖视图，其中液块受外力的影响；

图15a是与表面不平整部或特征相互作用的液块的接触线的放大侧视图，其中接触线在前进；

图15b是与表面不平整部或特征相互作用的液块的接触线的放大侧视图，其中接触线正在后退；

图16a是具有对称的通常为锯齿状不平整部的毛细管壁的放大的局部剖视图；

图16b是具有不对称的通常为锯齿状不平整部的毛细管壁的放大的局部剖视图；

图16c是各向异性流体接触表面的放大的局部立体图，其不平整部以不对称的通常为锯齿状脊的形式存在；

图16d是具有不对称棱柱体不平整部的各向异性流体接触表面的放大的局部立体图；

图16e是具有不对称截头圆锥不平整部的各向异性流体接触表面的放大的局部立体图；

图17是具有对称锯齿特征的表面的固位力与相应的光滑表面的固位力比率曲线图；

图18是具有不对称锯齿特征表面的固位力比率与升角关系的曲线图；

图19是具有不对称锯齿特征表面的固位力比率与升角关系的曲线图；以及

图20是在F_i＝f_i的临界状态下静止液滴的侧视图。

具体实施方式

为了本申请的目的，流体处理装置包括管道、管件、接头、阀、流量计、桶、泵、润湿燃料电池组件、微流体装置和组件，以及可用来处理、传输、容置或传送流体的其它任何装置或组件。流体处理装置也可包括吸管、滴定管、烧瓶、烧杯、管件、喷嘴、接头以及实验室或制造工艺环境中用来测量和传送流体的其它装置，诸如热量或质量交换装置，包括但不限于过滤器、热交换器及其组件。术语“流体接触表面”广义上指可与流体相接触的流体处理组件的任何表面或部分。术语“流体处理系统”指流体处理组件的任何流体相互连接装置。

根据本发明的流体处理组件的各个实施例如图1-12所示。在图1和图2中，一段管件20通常包括本体22，其界定有用于传输流体的孔24。设有基层26用于作为孔24的内衬。各向异性润湿流体接触表面28形成于基层26上，并且朝内以与流经孔24的流体相接触。可通过题为“用于流体控制装置的性能高分子薄膜内嵌模压”的共同未决的10/304,459号美国专利申请中所揭示的薄膜内嵌模压，将基层26施加于本体22。该美国专利申请由本发明的所有者共同所有，通过完全引用将其合并在此。虽然图1和图2的实施例示出了单独的基层26，但是应认为在其它实施例中，本体22可用作基部，在其向内的表面上直接形成各向异性润湿流体接触表面28。还应当认为各向异性润湿流体接触表面可占据管件20的整个长度或可选择性地置于所需要的流动状态关键点上。

图3示出了以连接两段管道32的以90度弯管接头30形式存在的流体处理组件的另一个实施例。弯管接头30通常包括本体部34，其具有直接位于内表面36上的各向异性润湿的流体接触表面28。各管道32的内表面38也可以是各向异性润湿的接触表面28。当然，很容易认识到各向异性润湿的流体接触表面28可设置在任何形状或尺寸的管道、管件、接头和渠道上。例如，虽然在此图3示出了90度弯管接头，但是根据本发明的各向异性润湿的流体接触表面也可设置在诸如巨肘弯管、T形管、Y形管及卫生设备配件、歧管等的其它接头上。

此外，其它更为复杂的流体处理组件，诸如图5所示的二位阀40，可具有各向异性润湿流体接触表面28。二位阀40通常包括阀体42和阀杆44。阀体42通常包括由连续流道50连接的入口46和出口48。阀杆44包括柄52、杆54和密封表面56。各向异性润湿流体接触表面28可形成于该二位阀40的整个润湿表面上，包括入口46、出口48和流道50或任何需要促进某个方向排水的部分。各向异性润湿的流体接触表面28也可形成于阀杆44的湿润部上。

图4示出了流体处理组件的另一个替代实施例。在图4中，三位阀60包括阀体62，其包括入口64、第一出口66和第二出口68。三位阀60也包括位于中心孔72内的阀杆70。第一出口66和第二出口68设置为倒钩形端73，其有助于与剩余的流体回路相互连接。而且各向异性润湿的流体接触表面28可形成于阀体62的整个湿润表面和阀杆70上，或选择性地在其任何部上。

显然各向异性润湿的流体接触表面28可应用于任何设置形式的阀。这些设置形式可包括任何数量的入口和出口和各种阀连接件，阀连接件包括阴阳螺纹型的连接器和卫生连接器。此外，根据本发明的各向异性润湿的流体接触表面可选择性地应用于各种阀杆，包括球阀、闸阀和隔膜阀中使用的阀杆，以促进排水或对流体运动产生偏向或导向。

如图6和图7所示，流体处理组件可为流量计组件74。流量计组件74通常包括入口76、出口78、视管80和浮子82。在示出的实施例中，各向异性润湿流体接触表面28形成于流量计组件74的所有湿润表面上。在图7示出的替代实施例中，视管80具有内部基层84，在基层84的内表面86上具有各向异性润湿流体接触表面28。应认为各向异性润湿的流体接触表面28可被施加在任何类型的流体监测装置，包括具有用于传输流体流动数据的传感器的流量计。在这样一个实施例中，各向异性润湿的流体接触表面28可形成于工业中常用的利用叶轮、涡轮、磁铁或其它流量传感装置的传感器上。

总之，应认为各向异性润湿的流体接触表面28可应用于具有需要这一性能的任何流体处理组件。流体处理组件的其它例子可包括流体移动装置，诸如泵、喷嘴、水堰以及诸如汽缸之类的液压组件。也应认为将本发明的各向异性润湿的流体接触表面28施加于微流体的流体处理组件是有利的。

对于本申请的目的而言，术语“微流体的流体处理组件”在广义上指，可用来接触、处理、传输、容置、加工或传送流体的其它任何装置或组件，其中流体流经一个或多个微小尺寸的流体流道。对于本申请的目的而言，“微小”表示小于或等于500微米的尺寸。

图8中的分解放大图示出了根据本发明的微流体装置88。装置88通常包括其中界定有矩形流道92的本体90。本体90通常包括主体部94和罩部96。流道92的三侧由主体部94上的向内的表面98界定，第四侧由罩部96上的向内的表面100界定。如图8和图9所示，表面98和表面100共同界定出流道壁102。

根据本发明，流道壁102的所有或任何有需要的部分都可具有各向异性润湿的流体接触表面28。虽然图8所示的是具有矩形流道的两件式设置形式，但应当认为微流体装置88可形成为其它任何设置形式，事实上可为其它任何流道形状或设置形式，包括具有圆柱形、多边形或不规则形状流道的一件体。

图10中的横剖视图示出了微流体装置88的替代实施例。在这个实施例中，本体104形成为一整体构成的部件。圆柱形流道106被界定在本体104内，并且流道壁108具有面向流道106内的各向异性润湿的流体接触表面28。

还应认为本发明尤其可应用于燃料电池内的流体管理。对于本申请的目的而言，术语“燃料电池”指任何类型的电化学燃料电池装置或设备，包括但不限于质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸电解质燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、以及固体氧化物燃料电池(SOFC)。术语“燃料电池组装置”指包括至少一个燃料电池和任何及其所有组件的装置，以及与燃料电池功能相关的任何和所有的独立组件，包括但不限于密封件、绝缘件、歧管、管件和电气部件。

图11中的简化剖视图示出了根据本发明的燃料电池组装置110的实施例的一部分。燃料电池组装置110通常包括由双极板114分隔的膜电极组件112。端板116在各端将装置110包容起来。各膜电极组件112通常包括阳极膜构件118、阴极膜构件120和电解质122。

双极板114和端板116通常由诸如金属或碳填充聚合物之类的导电、防蚀、抗热材料制成。通常双极板114的表面124和端板116的向内的表面126界定了槽128，用于将燃料和氧化剂传送给膜电极组件112并排干反应产生的水。双极板114的热传送部130和端板116可设有额外的表面区域以将热量从电池上散除。

根据本发明，双极板114或端板116的外表面的所有或任何预定部可为各向异性润湿表面28。例如，如图12所示，各向异性润湿表面28可设置在槽128向内的表面132上，以使槽128中更好地排水。反应过程中逐渐形成的水滴会较轻易地在各向异性润湿表面28上的预定方向内流动，使得水借助重力从槽128排干。

如图11所示，双极板114或端板116的其它部分，诸如热传送部130和外表面134，也可具有各向异性润湿表面28，使积集或冷凝在这些表面上的水更好地排干。燃料电池组组件的其它组成部分，诸如燃料和氧化剂歧管及管件(未示出)、孔(未示出)和封入表面(未示出)可具有各向异性润湿表面28，以将由于在环境温度和电池内升高的温度之间的湿气运动而冷凝在这些组成部分上的水排干。应容易认为根据本发明的各向异性润湿表面28可设置在任何燃料电池组装置组成部分的任何所需部分上，以改进其排水性能。

现在来理解各向异性润湿流体接触表面28的构造，为方便说明，图13a至图13c中示出了，圆柱形毛细管136的纵向剖面，其各界定有包括液块140的流道138。图13a示出了具有较光滑的壁面142的毛细管136的流道138。图13b示出了在壁145上具有大致对称的锯齿特征144的流道138，为清楚起见，锯齿特征144的尺寸被大大地夸大。图13c示出了在壁147上具有不对称的锯齿特征146的流道138，以形成根据本发明一实施例的各向异性润湿表面28，为清楚起见，不对称锯齿特征146的尺寸被大大地夸大。

在图13a的光滑管136中，抑制液块140向左移动的固位力-f₀等于抑制液块140向右移动的固位力f₀。类似地，在图13b的具有对称特征144的管中，抑制液块140向左移动的固位力-f₁等于抑制液块140向右移动的固位力f₁。但是，在图13c所示的具有不对称特征146的管中，随着流体一般流动越过由特征146形成的峰顶和谷底，抑制液块140向左移动的固位力f₃以可测量得到的程度小于抑制液块140向右移动的固位力f₂。正如以下将会详述的，固位力差值由表面特征的几何形状决定。根据如在此所述的预定关系来设置不对称表面特征，固位力差值生成了各向异性润湿流体接触表面。

应认为图13a至图13c的液块140，若不受外力影响，则会在管136中保持静止，因为没有施加任何能量来克服惯性和摩擦力。如图14所示的半径为R的毛细管136中，当外力F被作用到液块140的流体-液体的界面148和150时，其使两个界面148和150弯曲，并朝作用力的方向偏转。外力F可产生于，例如，管的倾斜或作用于管末端152的流体压力。前缘154和后缘156接触线处的毛细管力趋向于锚定液块140，抑制其运动，直到作用的外力F超过临界值F_i。当达到这个阈值时，F_i等于固位力f_i，液块140的弯曲界面148和150，在前缘接触线154成一前进接触角θ_a，在后缘接触线156成一后退接触角θ_r。若外力F进一步增加，使得F_i＞f_i，则液块140开始在受外力F推进的方向上移动。

在半径为R的圆柱形毛细管中的抑制初始运动的固位力f_i的大小，由流体-液体界面拉力γ和前进及后退接触角决定，

f_i＝kγR(cosθ_r-cosθ_a)              (1)

其中，

k＝2π                               (2)

若表面是干净、光滑和无疵点的，则固位力可用固有的接触角θ_a,0和θ_r，0表示，

f₀＝kγR(cosθ_r，0-cosθ_a，0)        (3)

与光滑表面相比，表面粗糙通常使固位力增加。由于接触角与表面的不平整部或特征之间的几何相互作用引起接触角的变化而使固位力增加。考虑到液块140的接触线与基层表面158上的表面不平整部或特征146相互作用，如图15a和图15b所示。基板表面158上特征146的升角表示为ω_i。图15(a)示出了以所呈现的前进接触角θ_a前进穿过特征146的接触线162。液体在特征146的表面164上所呈现的是实际的前进角θ_a，0。相对于基层表面158所呈现的前进接触角θ_a和实际的前进角θ_a，0之间的差值取决于由特征决定的升角ω_i。与特征146相互作用使θ_a增加，使得，

θ_a＝θ_a，0+ω_i                      (4)

图15(b)示出了接触线166以所呈现的后退接触角θ_r回退穿过相同的特征146。液体在特征146的表面164上所呈现的是实际的后退角θ_r，0。与前进的例子相比，与特征相互作用使θ_r减小，使得，

θ_r＝θ_r，0-ω_i                                         (5)

作为示例，可假定毛细管136的内表面上的特征144、146采取如图16a和图16b所示的锯齿或棘爪的形式，并且这些管内的粗糙度是径向对称的(在它们的横剖视形状中，特征沿着整个外围延伸而无变化)。对于如图16(a)所描绘的具有升角ω₁的对称特征144，固位力-f₁与固位力f₁相等，并且润湿是各向同性的。结合式(1)、(4)和(5)对f₁进行估算，

f₁＝kγR[cos(θ_r，0-ω₁)-cos(θ_a，0+ω₁)]               (6)

若毛细管136的内表面具有如图16(b)所示的不对称特征146，则固位力差值的大小Δf或f₃和f₂之间的差值可用ω₂和ω₃表示：

Δf＝f₃-f₂＝kγR[cos(θ_r，0-ω₃)-cos(θ_a，0+ω₃)-cos(θ_r，0-ω₂)+cos(θ_a，0+ω₂)](7)

由于几何限定条件，θ_r，0-ω_i必须≥0°，并且θ_a，0+ω_i必须≤180°。许多三角函数可用于分解项而对表达式进行简化。可根据内在滞后Δθ₀来构造固位力的通式f_i，

f_i/kγR＝2sin[¹/₂(θ_r，0+θ_a，0)]sin(ω_i+¹/₂Δθ0)      (8)

Δθ₀＝θ_a，0-θ_r，0                                    (9)

以及升角ω_i，其中对于干净、光滑的表面i＝0，ω₀＝0；对于具有对称锯齿特征的表面，i＝1，其中ω₁＞0；以及对于具有不对称特征的表面，i＝2或3，ω₂≠ω₃。从式(7)得到的具有不对称粗糙度的管的固位力差值Δf可改写为：

Δf＝f₃-f₂＝2kγRsin[¹/₂(θ_r，0+θ_a，0)][sin(ω₃+¹/₂Δθ₀)-sin(ω₂+¹/₂Δθ₀)]  (10)

式(8)也可用来表示比率形式的固位力。例如，具有对称锯齿特征的毛细管的固位力与具有光滑表面的相应管相比得到比率，

f₁/f₀＝sin(ω₁+¹/₂Δθ₀)/sin(¹/₂Δθ₀)                  (11)

在另一例子中，在固位力是处于径向相对的情况下，具有不对称锯齿特征的管内的固位力之比可由下式表示，

f₃/f₂＝sin(ω₃+¹/₂Δθ₀)/sin(ω₂+¹/₂Δθ₀)              (12)

应认为无论这个f₃/f₂，也称作固位力比率，超过或小于1，表面会呈现出各向异性润湿性，构成各向异性润湿表面28。各向异性润湿的程度随着固位力比率接近1而减小。当为1时，润湿是各向同性的。

还应进一步认为，各向异性润湿流体接触表面28可包括多种形状并设置成多种图案的不对称特征。例如，如图16c所示，各向异性润湿流体接触表面28可以连续的锯齿脊170形成于基部172上。在另一例子中，如图16d和图16e所示，截头棱锥174或截头圆锥176状的不平整部可以较规则或较不规则的图案设置在基部172上。不平整部实际上还可为相对的升角彼此呈现不同角度的、其它任何不对称形状，包括几乎任何不规则形状的三维实体或孔穴。

从上述例子可知，本领域技术人员应理解所表示的任何类型的表面相对于其它任何类型的表面的固位力关系。例如图17示出了对于不同程度的内在滞后Δθ₀，具有对称锯齿特征的毛细管固位力与相应的、对于液体/固体组合为光滑的管的固位力的的比率。即使当管的表面是光滑且干净的也存在固位力，即|f₀|总是＞0时。随着ω₁增加并且管的表面变得更粗糙，相对固位力也增加。对于较小的ω₁值，f₁/f₀的增长是线性的。在数学项中，若ω₁+¹/₂Δθ₀＜＜1，则式(11)简化成：

f₁/f₀≈2ω₁/Δθ₀+1             (13)

应认为从图17和式(13)可得出：系统中的内在滞后越大，表面的粗糙度对固位力施加的影响就越小。例如，采用图17来比较直径相同的两个毛细管，一个毛细管具有光滑的内表面，另一个毛细管具有ω₁＝10°的锯齿特征，若液体和构造材料表明有Δθ₀＝10°的内在滞后，则固位力比率(f₁/f₀＝2.97)比Δθ₀＝30°(f₁/f₀＝1.63)时大得多。

在另一个例子中，图18示出了对于不同的ω₃值，具有不对称锯齿特征的管的固位力比率f₃/f₂相对于ω₂的的关系图。系统的内在滞后假定为Δθ₀＝10°。对于棘爪状构造的管，其中ω₂＝45°且ω₃＝90°，f₃/f₂＝1.30。ω₂和ω₃之间的差值越大，则两个相反方向上的固位力的悬殊就越大；若ω₂＝10°且ω₃＝90°，f₃/f₂＝3.85。预计采用浅升角也可得到强偏向。若ω₂＝1°且ω₃＝10°，则f₃/f₂＝2.48。另外，若ω₂＝1°且ω₃＝90°，则f₃/f₂＞9。

在另一个例子中，图19示出了对于不同的内在滞后Δθ₀，具有不对称锯齿特征的表面固位力比率f₃/f₂相对于升角ω₂的变化。在此例子中，ω₃＝90°。对于对称特征，随着Δθ₀增加，固位力比率减小。例如，在ω₂＝10°ω₃＝90°的不对称锯齿特征毛细管中，若内在滞后Δθ₀＝10°，则固位力比率f₃/f₂＝3.85。若Δθ₀增加到30°，则f₃/f₂降低到2.29。

上述关系实际上也可用来测量表面固位力的绝对值。例如，具有光滑内部表面的水平PTFE管中、半径R＝1毫米的液块r前进接触角θ_a，0＝108°，内在滞后Δθ₀＝10°。在图13a示出的无特征的管中，阻止移置液块的固位力是f₀＝77μN。因此，液块在各方向内初始移动都需要＞77μN的外力。若采用较低界面张力的流体-液体结合，则固位力将会较小。

通过将ω₂＝10°且ω₃＝90°的不对称锯齿特征引入到图13c所示的PTFE管的内表面上，Δf＝672μN。当然重要的是，注意到在各个方向移动液块的外力比光滑管的值大，f₂＝228μN，f₃＝900μN。由于导向右边的固位力f₂较小，因此液块很容易移动到左边，如图13(c)所示。若管被做得足够小，产生初始移动的压力差相当大。对于上述PTFE管(θ_a，0＝108°，Δθ₀＝10°，ω₂＝10°且ω₃＝90°)，若管径缩小到20微米，则在一个方向相对于另一方向移动液块的压力差约是20kPa。因而，这种构造可用于微流体装置的阀或闸中。

特征的大小对静止的液块来说，是较次要的。小特征应当生成与大特征相同的偏向润湿性能。但是，一旦液块开始移动，较小特征与较大特征相比可能更具优势。较小特征不太会破坏流。若特征太大，则表面特征会使湍流增加，从而增加流动阻力。因而，在本发明的一些实施例中，其中各向异性润湿流体接触表面28可能会有流体流动，构成各向异性润湿流体接触表面28的不平整部的平均值通常可小于500微米，在其它实施例中通常小于10微米，在另一些实施例中可小于100内米。

尽管这里的分析针对具有环形横截面的毛细管，但是其也可用于非环形管和座滴。不同之处仅在于式(1)采用不同的前系数k。而且，本领域技术人员应理解要使流动开始，必须考虑额外的力，诸如来自液体粘性、惯性或垂直移置的力。

图20是外力F_i作用下的静止座滴180的侧视图。外力使座滴180的形状扭曲，使其向前“倾斜”。如图所示，座滴180已达到固位力和外力相等的临界状态，f_i＝F_i。在临界形态中，座滴的接触角在前缘呈现出前进角值θ_a，在后缘呈现出后退角值θ_r。若F_i稍微增加，则座滴180会开始移动。表述与毛细管内液块相关的固位力的通式也可表述与座滴相关的固位力，

f_i＝kγR(cosθ_r-cosθ_a)          (1)

其中在此情况下，2R是座滴宽度，前系数k取决于接触线的形状。若座滴的接触线是环形的，则

k≈1.5                           (22)

若液滴由于外力而变长，则k增加。

为了使液块在小直径毛细管中开始移动，必须施加最小外力以克服在接触线处作用的界面张力相关的固位力。固位力的大小随着流体-液体界面张力和表面粗糙度的增加而增加。若表面粗糙度由对称特征组成，则初始沿着毛细管的轴线作用在两个方向上的针对初始移动所增加的阻力是相同的，并且润湿是各向同性的。若特征是不对称的，则固位力在一个方向较小，并且润湿是各向异性的。表面特征的不对称性越大，则两个相反方向内的固位力的不一致性越大。表面特征设计恰当的话，固位力差值Δf可超过5X。显现最小内在接触角后滞的液体-固体组合预期会显现出更大的调整。

通常，制造流体处理装置的基材可为任何通常使用的疏液的或超厌性材料，在这些材料上可以恰当地形成不对称微尺度或纳米尺度的不平整部。不平整部可利用光刻或任何合适的方法在基材上直接形成，或形成在基材上设置的一层或多层材料上。可采用已知的塑模和压印法，通过将工艺中所采用的模具或压模的加工部件构造出纹理来形成根据本发明的微尺度的不平整部。工艺可包括注塑成型、纹理压光辊挤出成形、压塑成型工具或适合形成微尺度不平整部的其它任何已知的工具或方法。

适于形成所需形状和间隔的较小尺度不平整部的其它方法包括：第2002/00334879号美国专利申请公开揭示的纳米加工、第5,725,788号美国专利揭示的微压印、第5,900,160号美国专利揭示的微接触印刷、第5,609,907号美国专利揭示的自组装金属胶体单层、第6,444,254号美国专利揭示的微压印、第5,252,835号美国专利揭示的原子力显微镜纳米加工、第6,403,388号美国专利揭示的纳米加工、第6,530,554号美国专利揭示的溶胶-凝胶成形、第6,518,168号美国专利揭示的表面自组装单层有序图案、第6,541,389号美国专利揭示的化学蚀刻、或第2003/0047822号美国专利申请公开揭示的溶胶-凝胶压印，所有这些文献通过完全引用将其合并在此。也可采用碳纳米管构造来构成所需的不平整部几何形状。第2002/0098135号和第2002/0136683号美国专利申请公开文件揭示了碳纳米管构造的例子，也通过完全引用将其合并在此。而且，可采用已知的胶体油墨印刷法来构成合适的不平整部结构。当然，应认为也可采用其它可准确形成微/纳米尺度不平整部的任何方法。WO02/084340号PCT专利申请公开文件中揭示了适用于形成微尺度或纳米尺度不平整部的光刻法，通过完全引用将其合并在此。

应认为本发明的各向异性润湿表面可用于众多应用中。例如，应认为若各向异性润湿表面被用于诸如管道、管件、接口、阀和其它装置之类的流体处理系统的润湿部上，则流体摩擦力和湍流会显著减小。通过更快的干燥时间和干燥后在表面上很少有化学残留，可改进重要的清洁工艺的有效性。也应认为，根据本发明的各向异性润湿表面会阻碍表面上的生物膜内有机体的生长，部分原因是表面的定向排水有显著改进。

各向异性润湿表面原理也可用于超厌性表面。下列美国专利和美国专利申请中示出了超厌性润湿表面，通过完全引用将其合并在此。第10/824,340号、第10/837,241号、第10/454,743号、第10/454,740号美国专利申请和第6,845,788号美国专利。本申请可结合利用对上述申请和专利的揭示，以设计出同时具有各向异性性和超厌性的表面。

本发明可以其它特定方式实施而不脱离其主要特征，因此，示出的实施例从各个方面来说都是阐释性的而并非是限制性的，参照后附的权利要求而非上述说明书来表明本发明的范围。

Claims (20)

1.一种具有各向异性润湿表面部的流体处理装置，所述各向异性润湿表面部包括：

其上具有多个不对称的、形状基本一致的微尺度或纳米尺度不平整部的基部，各不平整部界定有相对于所述基部的第一不平整部升角和反向的第二不平整部升角，所述不平整部设置成提供大于或小于1的固位力比率(f₃/f₂)，所述固位力比率(f₃/f₂)由下式决定：

f₃/f₂＝sin(ω₃+¹/₂Δθ₀)/sin(ω₂+¹/₂Δθ₀)

其中ω₂是所述第一不平整部升角的度数，ω₃是所述第二不平整部升角的度数，并且Δθ₀＝(θ_a，0-θ_r，0)，其中θ_a，0是与所述表面接触的流体的实际前进接触角的度数，θ_r，0是所述表面上的流体的实际后退接触角的度数。

2.如权利要求1所述的流体处理装置，其中所述不平整部是凸起。

3.如权利要求2所述的流体处理装置，其中所述不平整部是多面状的。

4.如权利要求2所述的流体处理装置，其中各不平整部具有通常是方形的横截面。

5.如权利要求2所述的流体处理装置，其中所述不平整部的形状是圆柱形、类圆柱形、圆锥形或截头圆锥形。

6.如权利要求1所述的流体处理装置，其中所述不平整部是形成于所述基部内的孔穴。

7.如权利要求1所述的流体处理装置，其中所述不平整部设置成基本一致的阵列。

8.如权利要求7所述的流体处理装置，其中所述不平整部设置成矩形阵列。

9.如权利要求1所述的流体处理装置，其中所述流体处理装置是微流体装置。

10.如权利要求1所述的流体处理装置，其中所述流体处理装置是燃料电池组件。

11.一种流体处理装置上形成各向异性润湿表面的方法，所述方法包括：

提供具有表面的流体处理装置；以及

在所述流体处理装置的所述表面上设置多个形状基本一致的微尺度或纳米尺度的不平整部以形成所述各向异性润湿表面，各不平整部包括相对于所述表面的第一不平整部升角和第二不平整部升角，其中所述不平整部被构造和设置成提供大于或小于1的固位力比率(f₃/f₂)，所述固位力比率(f₃/f₂)由下式决定：

f₃/f₂＝sin(ω₃+¹/₂Δθ₀)/sin(ω₂+¹/₂Δθ₀)

其中ω₂是所述第一不平整部升角的度数，ω₃是所述第二不平整部升角的度数，并且Δθ₀＝(θ_a，0-θ_r，0)，其中θ_a，0是与所述表面接触的流体的实际前进接触角的度数，θ_r，0是所述表面上的流体的实际后退接触角的度数。

12.如权利要求11所述的工艺，其中所述不平整部的设置采用光刻工艺。

13.如权利要求11所述的工艺，其中所述不平整部的设置采用的工艺选自纳米加工、微压印、微接触印刷、自组装金属胶体单层、原子力显微镜纳米加工、溶胶-凝胶成形、自组装单层有序图案、化学蚀刻、溶胶-凝胶压印、胶体油墨印刷和在所述基部上设置平行碳纳米管层中的一种。

14.一种包括各向异性润湿表面的流体处理装置，其上具有多个不对称的、形状基本一致的不平整部，各不平整部界定有相对于所述基部的第一不平整部升角和反向的第二不平整部升角，所述不平整部设置成提供大于或小于1的固位力比率(f₃/f₂)，所述固位力比率(f₃/f₂)由下式决定：

f₃/f₂＝sin(ω₃+¹/₂Δθ₀)/sin(ω₂+¹/₂Δθ₀)

其中ω₂是所述第一不平整部升角的度数，ω₃是所述第二不平整部升角的度数，并且Δθ₀＝(θ_a，0-θ_r，0)，其中θ_a，0是与所述表面接触的流体的实际前进接触角的度数，θ_r，0是所述表面上的流体的实际后退接触角的度数。

15.如权利要求14所述的流体处理装置，其中所述流体处理装置是管状的。

16.如权利要求14所述的流体处理装置，其中所述流体处理装置是阀。

17.如权利要求14所述的流体处理装置，其中所述流体处理装置是微流体装置。

18.如权利要求1所述的流体处理装置，其中所述流体处理装置是燃料电池组件。

19.一种清洗流体处理装置的方法，包括：

提供具有各向异性润湿表面的流体处理装置，所述各向异性润湿表面包括其上具有多个不对称的、形状基本一致的不平整部的基部，各不平整部界定有相对于所述基部的第一不平整部升角和反向的第二不平整部升角，所述不平整部设置成提供大于或小于1的固位力比率(f₃/f₂)，所述固位力比率(f₃/f₂)由下式决定：

f₃/f₂＝sin(ω₃+¹/₂Δθ₀)/sin(ω₂+¹/₂Δθ₀)

其中ω₂是所述第一不平整部升角的度数，ω₃是所述第二不平整部升角的度数，并且Δθ₀＝(θ_a，0-θ_r，0)，其中θ_a，0是与所述各向异性润湿表面接触的流体的实际前进接触角的度数，θ_r，0是所述各向异性润湿表面上的流体的实际后退接触角的度数；以及

将所述各向异性润湿表面与所述流体相接触。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括施加一个力给所述流体处理装置或所述流体，以使所述流体在各向异性润湿表面上移动。

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