CN101970705A - 用于通过浸渍法制造具有疏水性表面的3d结构的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于制造3D(三维)结构的方法，其通过使用浸渍法向3D结构的表面提供疏水性，在该浸渍法中，预定形状的结构被浸入在熔融金属溶液中。该方法包括：将预定形状结构浸入在熔融金属溶液中，以将熔融金属材料涂覆在该预定形状结构的表面上；对涂覆有所述熔融金属材料的金属基底进行阳极氧化处理；在该涂覆有金属的基底的外表面上涂覆聚合物材料，以形成复制阴模结构；将所述复制阴模结构的外表面覆盖以外部成形材料；以及从所述复制阴模结构和外部成形材料去除所述涂覆有金属的基底。

Description

用于通过浸渍法制造具有疏水性表面的3D结构的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造具有疏水性表面的3D(三维)结构(或3D状结构)的方法，更具体而言，涉及一种制造3D结构的能够向3D结构的表面提供疏水性的方法——其中使用浸渍法(dipping method)，在该浸渍法中，特定形状的结构被浸入到熔融金属溶液中。
背景技术
通常，固体基材料，诸如金属或聚合物，的表面都具有特定表面能。
该特定表面能在当液体与固体接触时表现为液体和固体之间的接触角。
这里，液体一般指的是水或油等，并且水可代表性地指下文中提到的液体。
如果接触角小于90°，球形水滴在固体表面上会失去其形状，从而将固体表面弄湿，呈现出可湿性。
然而，如果接触角大于90°，球形水滴在固体表面上会保持其形状，通过外力其能轻易地流动，而非将固体表面弄湿，呈现为不可湿性。
例如，如果水滴落在荷叶上，它就不会弄湿荷叶而是在荷叶的表面上流动。这种现象表明了不可湿性。
如果固体基材料的表面经处理具有细小的突出物和凹陷(不平整)，则在该固体基材料的表面上的特定接触角的值可变化。
即是说，具有小于90的接触角的亲水性表面可通过表面处理具有更大的可湿性，具有大于90的接触角的疏水性表面可通过表面处理具有更大的不可湿性。
固体基材料的疏水性表面可以各种方式得到应用。
如果疏水性表面被应用至管道结构，可有助于管道中的液体流动以增加流量和流速。
因此，将疏水性表面应用至水务管道或锅炉管道可相比于现有技术显著地降低杂质的积聚。
另外，如果将聚合物材料用于疏水性表面，则可防止管道的内表面被腐蚀，并相应地，可降低水污染。
然而，迄今为止，出于任意目的而改变固体表面上的接触角的技术是为人所知的，如一种被应用至半导体制造技术的MEMS(微机电系统)方法，通过该方法，固体的表面形成为具有细小的微米级或纳米级的突出物和凹陷。
MEMS方法是一种通过机械工程使用半导体技术的最新技术，但是半导体方法导致成本较高。
即是说，为了通过使用MEMS方法在固体表面上形成纳米级的突出物和凹陷，执行诸如将金属表面氧化、应用特定温度和特定电压以及在特殊溶液中进行氧化和蚀刻的操作。
所述MEMS方法不能在一般工作环境中执行，而应在特殊制造的清洁室中进行，并且操作所需的机器都是昂贵的设备。
此外，MEMS方法的缺点在于它不能一次处理一个大面积。
因此，由于用来形成疏水性表面的现有技术具有非常复杂的过程，不适于批量生产，且导致高额的制造成本，所以应用起来并不容易。
在本背景技术部分中所公开的上述信息仅用于加深对本发明的背景的理解，因此其可能包含有不构成本国内本领域技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
技术问题
本发明致力于提供一种用于制造具有疏水性表面的3D(三维)结构的方法，该方法相比于现有技术方法简化了工艺过程以允许批量生产。
本发明还提供了一种通过使用浸渍法来很容易地制造具有疏水性表面的3D结构的方法，在该浸渍法中，特定形状的结构被浸入在熔融金属溶液中。
技术方案
本发明的一个示例实施方案提供了一种通过使用浸渍法制造具有疏水性表面的3D结构的方法，包括：将预定形状结构浸入在熔融金属溶液中，以将熔融金属材料涂覆在该预定形状结构的表面上；对涂覆有所述熔融金属材料的金属基底进行阳极氧化处理，以在涂覆有金属的基底的外表面上形成纳米级的孔；在该涂覆有金属的基底的外表面上涂覆聚合物材料，以使该聚合物材料形成为相应于所述涂覆有金属的基底的纳米级孔的复制阴模结构(negative replica structure)；将所述复制阴模结构的外表面覆以外部成形材料；以及从所述复制阴模结构和外部成形材料去除所述涂覆有金属的基底。
在本发明的示例实施方案中，所述熔融金属溶液可以是通过将铝熔化所制备的熔融铝溶液。
根据本发明的示例实施方案的方法还可包括：通过将固态的铝熔化来制备熔融金属溶液。
根据本发明的示例实施方案，所述预定形状结构可在电解质溶液中被电解抛光，以使所述预定形状结构的表面变得平整。
根据本发明的示例实施方案，所述预定形状结构的涂覆厚度可通过使所述预定形状结构被浸入在熔融金属溶液中的时间长度的不同而加以调整。
根据本发明的示例实施方案，可将所述预定形状结构从所述熔融金属溶液中取出，然后在预定温度下将其干燥和硬化。
根据本发明的示例实施方案的方法可进一步包括：喷射微米级颗粒以在所述涂覆有金属的基底的外表面上形成微米级突出物和凹陷。
根据本发明的示例实施方案，当涂覆所述聚合物材料时，所述聚合物材料可被注入到所述涂覆有金属的基底的纳米级孔内，使得所述复制阴模结构包括相应于所述纳米级孔的多个柱状物(pillar)。
根据本发明的示例实施方案，所述聚合物材料可以是如下材料中的至少一种：PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)共聚物以及PFA(全氟烷氧基)。
根据本发明的示例实施方案，所述涂覆有金属的基底通过化学蚀刻被去除。
有益效果
如上所述，根据本发明的示例实施方案的用于制造3D结构的方法具有如下优点：由于可在不使用诸如相关技术MEMS方法中的如此昂贵的设备的情况下，而向3D形状结构的内表面提供疏水性，因此可降低制造成本并简化工艺过程。
此外，在根据本发明的示例实施方案的用于制造3D形状结构的方法中，阳极氧化过程的执行借助于：通过使用浸渍法仅在金属基底材料的表面上形成铝涂覆层，而非使用由铝材料制成的金属基底。
因此，尽管执行了阳极氧化过程，但可使用相对低的成本来制造3D结构，同时降低材料损耗。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个示例实施方案的用于制造具有疏水性表面的3D(三维)结构的方法的过程的流程图。
图2是示出在图1中的用于制造具有疏水性表面的3D结构的方法的系列过程之一中的一个预定形状结构。
图3是示出其中熔融金属溶液被涂覆在图2中的预定形状结构的表面上的状态的示意图。
图4是示出其中在图3的涂覆有金属的基底的表面上形成一阳极氧化层的状态的示意图。
图5是示出其中在图4的涂覆有金属的基底的表面上形成复制阴模结构的状态的示意图。
图6是示出其中在图5的复制阴模结构的外表面上附着一外部成形材料的状态的示意图。
图7是示出其中图6中的涂覆有金属的基底和阳极氧化层被去除以剩下复制阴模结构和外部成形材料的状态的示意图。
图8是示出用于在图3的涂覆有金属的基底上形成微米级突出物和凹陷的颗粒喷射器的示意图。
图9是示出用于将图4中的涂覆有金属的基底阳极氧化的阳极氧化装置的示意图。
图10是示出在图9中的对涂覆有金属的基底进行阳极氧化处理之后在阳极氧化层上形成的纳米级孔的放大图。
图11是示出用于复制图5中的相应于阳极氧化层的纳米级孔的复制阴模形状的复制阴模装置的示意图。
图12是沿图11中的XII-XII线所取的复制阴模装置的横截面图。
<对标示附图中的主要元件的参考数字的说明>
10：颗粒喷射器
20：阳极氧化装置
30：复制阴模装置
100：3D结构
101：预定形状结构
110：涂覆有金属的层
120：阳极氧化层
130：复制阴模结构
140：外部成形材料
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的示例实施方案，使得本领域技术人员可以很容易地执行本发明。
如本领域技术人员将意识到的，所描述的实施方案可以通过各种不同方式被修改，所有修改都不偏离本发明的主旨或范围。
在本发明中，“微米级”被限定为在等于或大于1μm并小于1000μm的范围内的尺寸，“纳米级”被限定为在等于或大于1nm并小于1000nm的范围内的尺寸。
图1是根据本发明的一个示例实施方案的用于制造具有疏水性表面的3D(三维)结构的方法的过程的流程图。
如图1中所示，用于制造具有疏水性表面的3D结构的方法包括：浸入步骤S1、阳极氧化步骤S2、涂覆聚合物材料的步骤S3、覆盖步骤S4，以及去除步骤S5。
相比于相关的技术MEMS(微机电系统)方法，通过执行这些步骤，根据本发明的示例实施方案能够通过简单方式以低成本来制造具有疏水性表面的结构。
此外，根据所述制造步骤，3D结构可以被制造为使得其内表面具有疏水性。
图2至图7是依次示出图1的用于制造具有疏水性表面的3D结构的方法的制造过程的示意图。图2是示出一预定形状结构的示意图。
如图2中所示，根据本发明的示例实施方案的预定形状结构101是待被用于向管道结构的内表面提供疏水性的圆柱形物体。
在本发明的示例实施方案中，预定形状结构101被浸入在通过将高氯酸和乙醇以1∶4的体积比进行混合所获得的溶液中，然后电解抛光以使所述预定形状结构101变平整。
在本发明的示例实施方案中，熔融金属溶液是通过在一提前制备步骤中将固体金属在一个容器诸如坩埚中熔化而制备的。
铝具有允许纳米级孔通过阳极氧化(待被描述)而轻易形成的特性，因此通过将铝熔化而制备的熔融铝溶液被用作本发明示例实施方案中的熔融金属溶液。
在预定形状结构101被浸入在熔融金属溶液中时，熔融金属材料可被涂覆到预定形状结构101的表面上。
通过熔融金属材料，涂覆有金属的层110的厚度取决于如下各种条件而变化：例如，预定形状结构101浸入在熔融金属溶液中的时间，或者预定形状结构101的表面摩擦力。
因此，在本发明的示例实施方案中，通过改变所述预定形状结构101浸入在熔融金属溶液中的时间来对涂覆的厚度进行微调。
涂覆以熔融金属材料的预定形状材料101被从熔融金属溶液中取出，然后在预置温度下干燥和硬化。
然后，如图3中所示，在预定形状结构101的表面上形成涂覆有金属的层110。
在本发明的示例实施方案中，其上形成有涂覆有金属的层110的预定形状结构101将被称为“涂覆有金属的基底”。
图8是示出用于在图3的涂覆有金属的基底110上形成微米级突出物和凹陷的颗粒喷射器的示意图。
如图1、图3和图8中所示，在本发明的示例实施方案中，喷射微米级颗粒以在涂覆有金属的基底的外表面上形成微米级突出物和凹陷。
为了喷射微米级颗粒，在本发明的示例实施方案中使用一颗粒喷射器10。
颗粒喷射器10可以使得微米级颗粒11以任意速度和压力与涂覆有金属的基底的表面相撞击。
然后，当涂覆有金属的基底由于颗粒11的冲击能量而变形时，微米级突出物和凹陷在涂覆有金属的层110的外表面上形成。
具体而言，在本发明的示例实施方案中，在喷射颗粒11的同时旋转所述涂覆有金属的基底，以允许微米级突出物和凹陷均匀分布在涂覆有金属的层110的表面上。
在本发明的示例实施方案中使用的颗粒喷射器10是用于喷射砂粒的喷砂机，或者可使用用于喷射细小颗粒(例如，金属球，而非砂粒)的细小颗粒喷射器。
然而，在这种情况下，如果涂覆有金属的层110的厚度小于预定厚度值，则可在喷射颗粒的同时去除所述涂覆有金属的层110，因此喷射颗粒的步骤可以不必执行。
图9是示出用于将图4中的涂覆有金属的基底阳极氧化的阳极氧化装置的示意图。
如图1、图4和图9中所示，在本发明的示例实施方案中，执行阳极氧化处理步骤S2，以通过将所述涂覆有金属的基底阳极氧化而在涂覆有金属的基底的外表面上形成纳米级孔。
在阳极氧化处理中，涂覆有金属的基底被浸入在电解质溶液23中，然后向其施加电极以在涂覆有金属的基底表面上形成阳极氧化层120。
为了进行阳极氧化处理，在本发明的示例实施方案中使用如图9中所示的阳极氧化装置20。
在阳极氧化装置20中，一定量的电解质溶液23(例如，0.3M的草酸C2H2O4，或磷酸)被填充在主体21的内部容纳空间中以用于进行阳极氧化，将涂覆有金属的基底浸入该电解质溶液中。
阳极氧化装置20包括电源供应单元25，涂覆有金属的基底连接至电源供应单元25的阳极和阴极中的一个，不同的金属(铂)基底材料26连接至该电源供应单元25的另一剩余端子。
这里，不同的金属基底材料26可以是任意材料，只要其是可提供用于通电的导体。
在实验条件下，电源供应单元25向涂覆有金属的基底施加一个预定的恒定电压(例如，60V)，并且不同的金属基底材料26被保持在距离该金属箔片基底的一个预置距离(例如，50mm)处。
在这种情况下，电解质溶液23——其保持在某一温度(例如，15℃)——被一搅拌器搅拌，以防止溶液密度的局部偏差。
然后，氧化铝在涂覆有金属的基底的表面上形成为阳极氧化层120。
在执行了阳极氧化处理之后，涂覆有金属的基底被从电解质溶液23中取出，使用去离子水进行清洗(例如，约15分钟)，然后在预置温度(例如，60℃)下在一烤箱中干燥一定时间段(例如，约一小时)。
然后，在涂覆有金属的基底的阳极氧化层120上形成如图10中所示的具有纳米单位直径的孔121。
图11是示出用于复制图5中的相应于阳极氧化层的纳米级孔的复制阴模形状的复制阴模装置的示意图，以及图12是沿图11中的XII-XII线所取的复制阴模装置的横截面图。
如图1、图5、图11和图12中所示，在本发明的示例实施方案中，聚合物材料被涂覆到相应于涂覆有金属的基底的外表面的阳极氧化层120上。
然后，聚合物材料形成为相应于阳极氧化层120的纳米级孔121的复制阴模结构130。
即是说，在本发明的示例实施方案中，执行涂覆聚合物材料的步骤S3，以在涂覆有金属的基底的表面上形成复制阴模结构130。
在本发明的示例实施方案中，具有纳米级孔121的涂覆有金属的基底被提供作为复制模板，如图11和图12中所示的复制阴模装置30被用于执行阳极氧化步骤S2。
在本发明的示例实施方案中，复制阴模装置30包括主体31、在主体31中具有一定容纳空间的容纳部分32、容纳在该容纳部分32中的聚合物溶液33，以及冷却单元34，该冷却单元沿主体31的侧面设置，且使容纳部分32内的聚合物溶液33凝结以便硬化。
在复制阴模装置30中，涂覆有金属的基底被浸入在聚合物溶液33中作为复制模板，并且聚合物材料被涂覆在涂覆有金属的基底的阳极氧化层120上。
即是说，聚合物溶液33被注入到阳极氧化层120的纳米级孔121中，并且当复制阴模装置30的冷却单元34运行时，与涂覆有金属的基底相接触的聚合物材料硬化。
通过这种方式，在本发明的示例实施方案中，通过将聚合物材料涂覆到阳极氧化层120的外表面上，形成具有相应于纳米级孔121的形状的阴模形状表面的复制阴模结构130。
即是说，因为复制阴模结构130是相应于纳米级孔121的阴模形状表面，所以其包括相应于各个纳米级孔121的多个柱状物。
聚合物溶液33由选自如下材料中的一种制成：PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)共聚物以及PFA(全氟烷氧基)。
接下来，在本发明的示例实施方案中，如图6中所示，执行覆盖步骤S4，以将复制阴模结构130的外表面覆以外部成形材料140。
该外部成形材料140是具有特定粘性和柔性的材料，以便附着在复制阴模结构130的不平整的外表面上。
特别地，本发明的示例实施方案示例性地示出了用于制造具有疏水性内表面的管道结构的方法，使得圆柱形的涂覆有金属的基底的圆周面被覆以待被用作管道材料的丙烯酸膜。
对于外部成形材料140，可使用除了丙烯酸膜之外的各种其他材料。
随后，在本发明的示例实施方案中，其上形成有阳极氧化层120的涂覆有金属的基底被从复制阴模结构130和外部成形材料140去除(S5)。
在这种情况下，如果涂覆有金属的基底的预定形状结构101是非金属材料，其可利用机械方法被去除；如果预定形状结构101是金属材料，其可利用诸如蚀刻的化学方法被去除。
在去除了预定形状结构101之后，涂覆有金属的层110和阳极氧化层120通过湿式蚀刻被去除。
通过执行本发明的示例实施方案中的这些步骤，复制阴模结构130和外部成形材料140保留，如图7所示。
如上所述，通过形成在内表面上的多个纳米级柱状物，复制阴模结构130最终获得了纳米级的疏水性表面。
即是说，由于复制阴模结构130具有的内表面的截面结构如同荷叶的截面结构，因此其具有最小润湿特性的疏水性表面特征，相应地，复制阴模结构130和液体之间的接触角可极大地增加至160°以上。
尽管本发明已结合目前被认为是可实施的示例性实施方案进行了描述，但应理解的是，本发明并不限于所公开的实施方案，相反地，本发明意在覆盖包括在所附权利要求书的主旨和范围内的各种修改和等同替换。

Claims (10)

1.一种通过使用浸渍法制造具有疏水性表面的3D(三维)结构的方法，包括：
将预定形状结构浸入在熔融金属溶液中，以将熔融金属材料涂覆在该预定形状结构的表面上；
对涂覆有所述熔融金属材料的金属基底进行阳极氧化处理，以在涂覆有金属的基底的外表面上形成纳米级的孔；
在该涂覆有金属的基底的外表面上涂覆聚合物材料，以使该聚合物材料形成为相应于所述涂覆有金属的基底的纳米级孔的复制阴模结构；
将所述复制阴模结构的外表面覆以外部成形材料；以及
从所述复制阴模结构和外部成形材料去除所述涂覆有金属的基底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔融金属溶液是通过将铝熔化所制备的熔融铝溶液。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：通过将固态的铝熔化来制备熔融金属溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定形状结构在电解质溶液中被电解抛光，以使所述预定形状结构的表面变得平整。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定形状结构的涂覆厚度通过使所述预定形状结构被浸入在熔融金属溶液中的时间段的长度的不同而加以调整。
6.根据权利要求1所述的方法，其中将所述预定形状结构从所述熔融金属溶液中取出，然后以预定温度将其干燥和硬化。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：喷射微米级颗粒，以在所述涂覆有金属的基底的外表面上形成微米级突出物和凹陷。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在涂覆所述聚合物材料时，所述聚合物材料被注入到所述涂覆有金属的基底的纳米级孔内，使得所述复制阴模结构包括相应于所述纳米级孔的多个柱状物。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述聚合物材料选自如下材料中的至少一种：PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)共聚物以及PFA(全氟烷氧基)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂覆有金属的基底通过化学蚀刻被去除。
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