CN101830428B - 一种以微针阵列制造超疏水表面的方法 - Google Patents
一种以微针阵列制造超疏水表面的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101830428B CN101830428B CN 201010300413 CN201010300413A CN101830428B CN 101830428 B CN101830428 B CN 101830428B CN 201010300413 CN201010300413 CN 201010300413 CN 201010300413 A CN201010300413 A CN 201010300413A CN 101830428 B CN101830428 B CN 101830428B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- array
- micropin
- microneedle
- hydrophobic surface
- etching
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 9
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical group OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 2
- ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N silicon tetrafluoride Chemical compound F[Si](F)(F)F ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 3
- SSLNXNMYNJKQTO-UHFFFAOYSA-N diethoxy-octyl-(2,2,2-trifluoroethoxy)silane Chemical compound FC(CO[Si](OCC)(OCC)CCCCCCCC)(F)F SSLNXNMYNJKQTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 claims 1
- 238000010336 energy treatment Methods 0.000 abstract description 6
- XPBBUZJBQWWFFJ-UHFFFAOYSA-N fluorosilane Chemical compound [SiH3]F XPBBUZJBQWWFFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000255925 Diptera Species 0.000 description 1
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 1
- 230000003373 anti-fouling effect Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000004049 embossing Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000010329 laser etching Methods 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- BPCXHCSZMTWUBW-UHFFFAOYSA-N triethoxy(1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,8,8,8-tridecafluorooctyl)silane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)CCC(F)(F)F BPCXHCSZMTWUBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
本发明公开了一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，属于超疏水表面制备领域。将一定截面的微针组装成阵列，得到一级或一级以上粗糙的阵列表面；在上述的阵列表面，根据不同的微针材料选择相应的刻蚀溶液，采用刻蚀的方法获得次级粗糙结构；在具有次级粗糙的微针阵列表面，用氟硅烷溶液进行低表面能处理，取出后经过恒温烘干即得到具有二级或多级粗糙结构的阵列超疏水表面。本发明克服现有技术的不足，使用者只需进行简单的微针的组装就可以得到一个具有粗糙结构的阵列表面，再辅以阵列表面的刻蚀和低表面能处理就能得到分级粗糙结构的阵列超疏水表面，大大提高制造效率，节省设计制造成本和时间耗费，提高了表面抗外力破坏能力。
Description
技术领域
本发明属于超疏水表面制备领域，涉及到一种以微针阵列制造超疏水表面的方法。
背景技术
在日常生活和工业生产很多领域中，具有特殊浸润性的表面具有广阔的应用前景，如玻璃等的防雾及其自清洁、高端纺织品的防污、输油等管道及军事领域的潜艇、水下导弹的减阻等。
浸润性是材料表面特性的重要指标之一。与水接触角大于150°，滚动角小于10°的表面被称作为超疏水表面。仿生学的研究发现，固体表面表观浸润性不仅与固体表面材料的化学成分有关，微纳分级结构对于表面的超疏水特性也起着重要的作用，对于平坦表面而言，对水的接触角一般只能达到120°。超疏水表面的制备技术总体分为三类：
(1)自上而下的(Top-down)刻蚀或印制类技术，如激光刻蚀法、印制法等；
(2)自下而上(Bottom-up)的覆膜与自组装生长技术，如化学气相沉积或电化学沉积法、纳米材料自组装生长法等；
(3)自上而下和自下而上两类的复合技术。
以往的许多专利中都有制备超疏水表面的过程，如：专利CN1872661A，公开了一种用微纳米离子沉积排列于基底上，然后辅以氟化修饰的一种超疏水表面方法，属于第三类技术；专利CN1760112A，以微加工和阳极氧化为基础用纳米压痕法在聚合物薄膜上制备超疏水表面，属于第一类技术。
对于阵列超疏水表面的形貌参数可控的优良特性，不少学者对此进行了研究。譬如江雷课题组进行了仿蚊子复眼制造的微纳阵列仿复眼结构及碳纳米管阵列湿润性的研究；Y.K.Choi课题组报道的微碗阵列结构等。H.S.Zhou等用自下而上的方法制备的纳米针列。
但是上述这些制造技术仍然不能大量制造性能优越的阵列超疏水表面，主要问题还是在于制造工艺复杂、制作成本高、周期长、材料特殊，需要特别的高精度加工设备及高技术人员，特别是不能适应工作环境要求，而纳米材料构筑的超疏水表面只能小面积、小范围的制备，生产条件苛刻，这些都不能适应工业化的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是从另一个角度提出了一种设计制造多级粗糙结构的阵列超疏水表面的方法，克服现有的设计制造技术的不足。使用者只需进行简单的微针的组装就可以得到一个具有粗糙结构的阵列表面，再辅以阵列表面的刻蚀和低表面能处理就能得到分级粗糙结构的阵列超疏水表面，大大提高制造效率，节省设计制造成本和时间耗费，提高了表面抗外力破坏能力。
本发明的技术方案如下：
本发明利用目前已经能够大规模工业化生产的微针进行组装，得到阵列的微米尺度的粗糙结构表面，通过刻蚀的方法在针状物尖上得到次级的粗糙结构，再经过低表面能处理得到超疏水表面。
一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，包括以下步骤：
步骤1：微针阵列的组装：将直径为10μm～500μm微米的微针组装成阵列，得到一级粗糙或一级以上粗糙的阵列表面，微针可以采用微棒等代替。所用的微针或微棒等，其横截面可以是圆形、四边形或六边形等各种形状，阵列表面可以是平面、二维或者三维曲面。
步骤2：次级微结构的刻蚀构造：在步骤1得到的粗糙阵列表面上，根据不同的微针材料选择相应的刻蚀溶液，采用刻蚀的方法获得次级粗糙结构。
步骤3：低表面能处理：在步骤2得到的一级粗糙或一级以上粗糙的阵列表面上，用氟硅烷溶液进行低表面能处理，取出后经过恒温烘干即得到具有多级粗糙结构的阵列超疏水表面。氟硅烷溶液所用溶剂为甲醇、乙醇或者正己烷。
本发明的效果和益处是：
1)本发明提供的阵列超疏水表面的抗外力破坏能力强，是超疏水表面走向应用的基础。
2)可以控制超疏水表面的湿润性质，依据不同的阵列参数，可以得到不同湿润性的表面。
3)本发明所使用的材料都是已经大规模工业化生产的产品，容易获得或者制造，给大规模应用提供一个很大的市场选择范围。
4)本发明可以模块化制作，大规模组装成大面积的阵列超疏水表面，是工业化应用的前提。
5)本发明提供的阵列超疏水表面制作方法简单，无需很多复杂、昂贵的设备仪器。
6)本发明中制作的针列，可以作为其他阵列超疏水表面的模板，可以用作压印板在其他相对较软的基底上产生阵列微结构，可以进一步处理成阵列超疏水表面。
附图说明
图1是阵列超疏水表面制备流程示意图。
图2是不锈钢微针阵列超疏水表面制备流程示意图。
图3是不锈钢微针阵列超疏水表面效果图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1
实施例中以不锈钢微针为例，设计微针直径为140μm的阵列超疏水表面。
(1)组装阵列结构：取适量的直径为140μm的不锈钢微针，放入无水乙醇中湿润；然后放入事先准备好的针列夹具中，将不锈钢微针排列整齐，针尖朝着一侧用夹具夹紧，用超声波清洗5-10分钟，针尖的一侧具有阵列结构的粗糙表面。
(2)将针尖的一端浸入FeCl3刻蚀溶液，FeCl3∶H2O＝4∶15(质量比)，辅助成分的配比为H2O∶HCl∶H3PO4∶H2O2＝15∶1～2∶1～2∶1～2(体积比)中刻蚀20-30分钟，取出用无水乙醇超声波清洗5-10分钟，洗净针尖表面残留物，自然晾干。
(3)将配置好的氟硅烷(十三氟辛基三乙氧基硅烷F8261)乙醇溶液(质量百分数为1％)倒入烧杯中，将上述步骤(2)中晾干的针列针尖一端浸泡入氟硅烷溶液中2小时后，随即放入烘箱中，温度为120℃-140℃，时间1小时-2小时取出。在针尖上就覆盖了一层氟硅烷，便制作成了一个阵列超疏水表面。
本方法同样适用于类似的其它材料的微针。
Claims (4)
1.一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，其特征包括以下步骤：
步骤1：微针阵列的组装：将直径为140微米的微针组装成阵列，得到一级粗糙或一级以上粗糙的阵列表面；
步骤2：次级微结构的刻蚀构造：在步骤1得到的一级粗糙或一级以上粗糙的阵列表面上，根据不同的微针类部件材料选择相应的刻蚀溶液，采用刻蚀的方法获得次级粗糙结构；
步骤3：低表面能处理：在步骤2得到的粗糙针尖阵列表面上，用氟硅烷溶液进行低表面能处理，取出后经过恒温烘干即得到具有多级粗糙结构的阵列超疏水表面；氟硅烷溶液所用溶剂为甲醇、乙醇或者正己烷。
2.根据权利要求1所述的一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，其特征还在于，阵列表面是平面、二维或者三维曲面。
3.根据权利要求1或2所述的一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，其特征还在于，微针采用微棒代替。
4.根据权利要求1或2所述的一种以微针阵列制造超疏水表面的方法，其特征还在于，所述的微针为不锈钢微针，具体步骤如下：
（1）组装阵列结构：取直径为140微米的不锈钢微针，放入无水乙醇中湿润；然后放入事先准备好的针列夹具中，将不锈钢微针排列整齐，针尖朝着一侧用夹具夹紧，用超声波清洗5-10分钟，针尖的一侧具有阵列结构的粗糙表面；
（2）将不锈钢微针针尖的一端浸入FeCl3刻蚀溶液，FeCl3:H2O =4:15(质量比)，辅助成分的配比为H2O:HCl:H3PO4:H2O2=15:1~2 :1~2 :1~2（体积比）中刻蚀20-30分钟，取出用无水乙醇超声波清洗5-10分钟，洗净针尖表面残留物，自然晾干；
（3）将配置好的质量百分数1%的十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液倒入烧杯中，将上述（2）中晾干的针列针尖一端浸泡入十三氟辛基三乙氧基硅烷乙醇溶液中2小时后，随即放入烘箱中，温度为120℃-140℃，时间1小时-2小时取出；在针尖上就覆盖了一层氟硅烷，便制作成了一个阵列超疏水表面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201010300413 CN101830428B (zh) | 2010-01-18 | 2010-01-18 | 一种以微针阵列制造超疏水表面的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201010300413 CN101830428B (zh) | 2010-01-18 | 2010-01-18 | 一种以微针阵列制造超疏水表面的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101830428A CN101830428A (zh) | 2010-09-15 |
| CN101830428B true CN101830428B (zh) | 2013-05-08 |
Family
ID=42714675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201010300413 Expired - Fee Related CN101830428B (zh) | 2010-01-18 | 2010-01-18 | 一种以微针阵列制造超疏水表面的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101830428B (zh) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102730625B (zh) * | 2011-04-02 | 2014-12-10 | 中国科学院化学研究所 | 在含有疏水性的硅柱的硅片表面构筑微电极对阵列的方法 |
| NL2007382C2 (en) | 2011-09-09 | 2013-03-12 | Univ Leiden | Method to coat an active agent to a surface. |
| CN102653456B (zh) * | 2012-05-15 | 2014-12-03 | 江苏大学 | 一种超疏水玻璃及其制备方法 |
| CN102978623B (zh) * | 2012-12-25 | 2014-11-26 | 南京林业大学 | 防止以气态介质输送的含湿粉尘粘结在金属壁面的方法和该金属壁面及其制备方法 |
| CN105550476B (zh) * | 2016-01-25 | 2018-07-13 | 大连理工大学 | 一种周期排列微柱结构的稳定超疏水表面设计方法 |
| CN107616826B (zh) * | 2017-09-27 | 2020-04-10 | 吉林大学 | 一种低阻力医用超疏水穿刺针的制备方法 |
| JPWO2019111959A1 (ja) * | 2017-12-05 | 2020-12-17 | 古河電気工業株式会社 | 機能性部材及びその製造方法 |
| CN111235559A (zh) * | 2018-11-29 | 2020-06-05 | 无锡小天鹅电器有限公司 | 不锈钢的表面处理方法和疏水不锈钢及其应用 |
| CN110153651B (zh) * | 2019-05-13 | 2021-05-11 | 大连理工大学 | 大长径比平面金属微针阵列、制备方法及其夹持、刺入辅助装置 |
| CN110359044B (zh) * | 2019-08-14 | 2021-08-24 | 重庆大学 | 一种钢基体表面超疏水膜的制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1760112A (zh) * | 2005-11-22 | 2006-04-19 | 华中科技大学 | 具有双微观结构的超疏水表面及其制作方法 |
| CN1872661A (zh) * | 2006-04-29 | 2006-12-06 | 东南大学 | 具有多级结构的超疏水表面材料及其制备方法 |
| WO2007096082A1 (de) * | 2006-02-20 | 2007-08-30 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Förderung Der Wissenschaft E. V. | Strukturierungsverfahren und bauteil mit einer strukturierten oberfläche |
| CN101603187A (zh) * | 2009-07-16 | 2009-12-16 | 上海交通大学 | 基于表面纳米阵列结构的高疏水性材料及其制备方法 |
| CN101962269A (zh) * | 2010-09-14 | 2011-02-02 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 超疏水抗反射氧化锌纳米针阵列的制备方法 |
-
2010
- 2010-01-18 CN CN 201010300413 patent/CN101830428B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1760112A (zh) * | 2005-11-22 | 2006-04-19 | 华中科技大学 | 具有双微观结构的超疏水表面及其制作方法 |
| WO2007096082A1 (de) * | 2006-02-20 | 2007-08-30 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Förderung Der Wissenschaft E. V. | Strukturierungsverfahren und bauteil mit einer strukturierten oberfläche |
| CN1872661A (zh) * | 2006-04-29 | 2006-12-06 | 东南大学 | 具有多级结构的超疏水表面材料及其制备方法 |
| CN101603187A (zh) * | 2009-07-16 | 2009-12-16 | 上海交通大学 | 基于表面纳米阵列结构的高疏水性材料及其制备方法 |
| CN101962269A (zh) * | 2010-09-14 | 2011-02-02 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 超疏水抗反射氧化锌纳米针阵列的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101830428A (zh) | 2010-09-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101830428B (zh) | 一种以微针阵列制造超疏水表面的方法 | |
| Wu et al. | A review of self-cleaning technology to reduce dust and ice accumulation in photovoltaic power generation using superhydrophobic coating | |
| Sun et al. | Recent advances of bioinspired functional materials with specific wettability: from nature and beyond nature | |
| CN109881193B (zh) | 一种三维三级微纳结构的稳定超疏水金属表面及制备方法 | |
| Byun et al. | Wetting characteristics of insect wing surfaces | |
| Feng et al. | Recent developments of superhydrophobic surfaces (SHS) for underwater drag reduction opportunities and challenges | |
| CN105776125B (zh) | 一种楔形图案化超浸润性表面及其制备方法 | |
| CN103317198B (zh) | 金属材料表面超疏水微纳结构的一步制备方法 | |
| CN107321583B (zh) | 微纳米分级结构超疏水表面的原位构建方法及应用 | |
| CN103290418A (zh) | 铝及其合金超双疏表面制备方法 | |
| Bing et al. | Small structure, large effect: Functional surfaces inspired by salvinia leaves | |
| Sun et al. | Simple and affordable way to achieve polymeric superhydrophobic surfaces with biomimetic hierarchical roughness | |
| Farzam et al. | Advances in the fabrication and characterization of superhydrophobic surfaces inspired by the Lotus leaf | |
| Shen et al. | Water repellency of hierarchical superhydrophobic Ti6Al4V surfaces improved by secondary nanostructures | |
| Guan et al. | Characterization of multi-scale morphology and superhydrophobicity of water bamboo leaves and biomimetic polydimethylsiloxane (PDMS) replicas | |
| CN107803587A (zh) | 一种风电叶片超疏水自清洁表面及制备方法 | |
| CN103817059A (zh) | 铝超疏水表面的制备方法及其制品 | |
| CN114211121A (zh) | 超疏水表面的飞秒激光烧蚀-表面覆膜的复合加工方法 | |
| CN103121006A (zh) | 一种超憎水表面的制备方法 | |
| CN104195539A (zh) | 一种锌超疏水表面的制备方法 | |
| Li et al. | Durable and flexible hydrophobic surface with a micropatterned composite metal–polymer structure | |
| CN105619774A (zh) | 一种基于热压印的超疏水材料的制备方法 | |
| CN104745019A (zh) | 一种自清洁特性纳米SiO2/TiO2改性PVDF超疏水复合膜的制备方法 | |
| CN106903034A (zh) | 超疏水铝合金表面制备方法及超疏水铝合金表面 | |
| CN102011153A (zh) | 金属基超疏水材料的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Chengwei Inventor after: Shi Litao Inventor after: Jiang Chenggang Inventor after: Zhou Ping Inventor after: Ma Guojun Inventor before: Wu Chengwei Inventor before: Shi Litao Inventor before: Zhou Ping Inventor before: Jiang Chenggang Inventor before: Ma Guojun |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: WU CHENGWEI SHI LITAO ZHOU PING JIANG CHENGGANG MA GUOJUN TO: WU CHENGWEI SHI LITAO JIANG CHENGGANG ZHOU PING MA GUOJUN |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130508 Termination date: 20160118 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |