CN103966654A - 一种在铝合金基底上实现水滴定向运输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种在铝合金基底上实现水滴定向运输的方法属于金属表面处理及光刻微加工领域，涉及一种在铝合金基底上实现水滴定向运输的方法。该方法通过在铝合金超疏水表面进行特殊的光刻处理，得到具有特定形状的水滴定向滚动轨迹。该方法具体步骤包括光整铝合金基底，电化学刻蚀处理，超亲水表面氟化处理，超疏水表面处理，对覆胶基底进行特殊的光刻处理，制备特定形状的水滴定向滚动轨迹。本发明设备及工艺简单，成本低廉，可控性较好，具有易操作低成本等优点；可获得任意宽度的定向运输轨迹，可以满足不同大小水滴的定向运输要求；适用于不同基底超疏水表面，通用性好；获得的表面稳定性好，不易被破坏。

Description

一种在铝合金基底上实现水滴定向运输的方法

技术领域

本发明属于金属表面处理及光刻微加工领域，具体涉及一种在铝合金基底上实现水滴定向运输的方法。

背景技术

自然界中的许多动植物都具有超疏水特性。水滴在其表面能够轻而易举的滚动，并带走表面的灰尘。这个特性主要是由表面微米/纳米二维结构以及表面化学组成共同引起的。比如，微米级的乳突以及纳米级的枝状腊层结构赋予了荷叶表面优良的斥水特性；椭圆突出和纳米针结构构成的微米/纳米复合结构让芋头叶表面具有超疏水特性。受大自然的启发，许多研究学者花费大量精力来研究超疏水表面的疏水机理和表面制备方法。目前，已经有大量超疏水表面被成功制备了出来，水滴在其表面接触角均在150°以上，并很容易滚动。这对防结冰、自清洁具有重要的意义。

水滴定向运输是指水滴在超疏水表面沿着设计的轨道滚动。它在生物分析、液滴分离等微流控领域存在潜在的应用价值。近年来，在超疏水表面实现水滴的定向运输受到越来越多专家、学者的关注。QianFeng Xu等的“Directing the transportation of a water droplet on a patterned superhydrophobic surface”,Applied Physics Letters,2008,93(23),233112.方法通过溶胶凝胶法在浮法玻璃表面制备一层具有纳米结构的超疏水表面，然后用刀片在表面划出一个宽度约200μm的S型线，10μl的水滴可以沿着S型线滚动，滚动角约为10°，该方法可控性较差。Seo等的Guided Transport of Water Droplets on SuperhydrophobicHydrophilic Patterned Si Nanowires”,ACS applied materials & interfaces,2011,3(12),4722-4729.方法通过水化刻蚀在硅片表面获得硅纳米线，在表面浸涂十二烷基 三氯硅烷后获得超疏水特性；再通过选择性紫外强化光解，在表面获得既定形状的超亲水轨迹，8μl水滴可以沿着多种设计的轨道滚动，滚动角约为5°。该方法工艺复杂，并未在金属表面实现定向运输。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服已有技术存在复杂性和通用性差等不足，发明一种在铝合金基底上实现水滴定向运输的方法，通过在铝合金超疏水表面进行特殊的光刻处理，得到具有特定形状的水滴定向滚动轨迹，实现在铝合金基底上水滴定向运输。该方法简单、低成本，获得的表面稳定性好，不易被破坏。

本发明采用的技术方案是一种在铝合金基底上实现水滴定向运输的方法，通过在铝合金超疏水表面进行特殊的光刻处理，得到具有特定形状的水滴定向滚动轨迹；该方法具体步骤如下：

(1)光整铝合金基底：先将铝合金基底进行抛磨，再清洗、除油；

(2)电化学刻蚀处理：使用氯化钠水溶液对清洗处理后的铝合金板进行刻蚀；其中，氯化钠水溶液浓度大于0.1mol/L，刻蚀时间大于6min，刻蚀电流密度大于500mA/cm²，得到超亲水表面；

(3)超亲水表面氟化处理：将步骤(2)得到的铝合金基底烘干，烘干之后放入氟硅烷乙醇溶液中大于90min，取出后烘干，获得超疏水表面；

(4)超疏水表面处理：在步骤(3)得到的铝合金基底及光刻胶放入烘箱中，在70℃下预热大于10min，将预热后铝合金基底的超疏水表面涂覆一层光刻胶，将涂覆光刻胶的表面通过真空吸盘固定于匀胶机上，并以500r/min的转速旋涂10s，以2800r/min的转速旋涂30s；将匀胶后的铝合金基底放入烘箱中，在90℃下前烘20min；

(5)对覆胶基底进行特殊的光刻处理，制备特定形状的水滴定向滚动轨迹：

在前烘后的铝合金基底表面覆盖掩膜，掩膜上有一截宽度为400μm，半径为50mm的圆弧透光段；将覆盖有掩膜的基底进行紫外曝光，曝光时间为25s，显影，显影时间为2min，清洗处理时间为1min；将处理后的铝合金基底放入烘箱中，在130℃下后烘30min，取出后空冷至室温；铝合金基底上被紫外光照到的部分光刻胶未被去除，其余部分光刻胶被去除，得到具有一段光刻胶圆弧轨迹的铝合金基底的超疏水表面，圆弧轨迹半径为50mm，宽度为400μm，该轨迹具有水滴定向运输特性。

本发明方法的有益效果是：设备及工艺简单，可控性较好，具有易操作低成本等优点。可获得任意宽度的定向运输轨迹，满足不同大小水滴的定向运输要求。适用于多种基体超疏水表面，通用性好。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明铝合金基超疏水表面的水滴定向运输示意图。其中：X轴为水平位移，单位：mm，Y轴为垂直位移，单位：mm，1-圆弧轨迹，2-水滴。

具体实施方法

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步的详细说明。水滴在超疏水表面很容易滚动，一般滚动角在10°以内。在超疏水基底上通过光刻技术制备具有一定宽度的轨迹，水滴在轨迹处是复合接触状态，即水滴和超疏水表面、光刻胶轨迹均有接触。由于光刻胶的表面能较高，所以水滴与光刻胶接触的部分满足Wenzel模型，水滴滚动时所受阻力较大；水滴其余与超疏水表面接触的部分满足Cassie模型，水滴滚动时所受阻力小。这样水滴滚动时就会受光刻胶轨迹的牵引，并沿着所设计的轨迹滚动，如图2所示。在图2中，圆弧轨迹1的半 径为50mm，水滴2为50μl。

该方法的流程如附图1所示，具体步骤如下：

1、光整铝合金基底：先后使用800#和1500#砂纸对40×40×2mm6061铝合金基底进行打磨，去除表面杂质和氧化层。将打磨后的铝合金基底用无水乙醇和去离子水超声清洗、吹干，获得光整铝合金基底。

2、将光整后的铝合金基底和阴极铜板平行对称固定，两板间距为10mm；将两板放入0.1mol/L氯化钠水溶液中进行电化学刻蚀，电流密度为800mA/cm²，水溶液温度为20℃，加工时间为8min。加工完成后将铝合金基底用去离子水超声清洗5min，得到基底的超亲水表面。

3、将超亲水表面烘干后放入质量分数为1％的氟硅烷乙醇溶液中浸泡90min，之后将试件放入烘箱中，在120℃下烘15min，取出后空冷至室温，得到铝合金基底的超疏水表面。

4、将得到的铝合金基底超疏水表面及光刻胶放入烘箱中，在70℃下预热不少于10min，将预热后铝合金基底的超疏水表面涂覆一层光刻胶，再将涂覆光刻胶的表面通过真空吸盘固定于匀胶机上，并以500r/min的转速旋涂10s、以2800r/min的转速旋涂30s，将匀胶后的表面放入烘箱中，在90℃下前烘20min，得到覆胶基底。

5、在前烘后的表面覆盖掩膜，掩膜上有一截宽度为400μm，半径为50mm的圆弧透光段。将覆盖有掩膜的表面进行紫外曝光，曝光时间为25s，显影，显影时间为2min，清洗处理，清洗时间为1min。将处理后的表面放入烘箱中，在130℃下后烘30min，取出后空冷至室温。被紫外光照到的部分光刻胶未被去除，其余部分光刻胶被去除，最终得到具有一段光刻胶圆弧轨迹的铝合金基底的超疏水表面。如图2所示，超疏水表面上的圆弧轨迹半径为50mm，宽度约为400μm； 50μl水滴可沿设计的轨迹滚动，滚动角约为9.2°。

本发明设备及工艺简单，可控性较好，具有易操作低成本等优点；可获得任意宽度的定向运输轨迹，可以满足不同大小水滴的定向运输要求；适用于不同基底超疏水表面，通用性好；获得的表面稳定性好，不易被破坏。

Claims (1)

1.一种在铝合金基底上实现水滴定向运输的方法，其特征在于，通过在铝合金超疏水表面进行特殊的光刻处理，得到具有特定形状的水滴定向滚动轨迹；该方法具体步骤如下：

(1)光整铝合金基底：先将铝合金基底进行抛磨，再清洗、除油；

(2)电化学刻蚀处理：使用氯化钠水溶液对清洗处理后的铝合金基底进行刻蚀；其中，氯化钠水溶液浓度大于0.1mol/L，刻蚀时间大于6min，刻蚀电流密度大于500mA/cm²，得到超亲水表面；

(3)超亲水表面氟化处理：将步骤(2)得到的铝合金基底烘干，烘干之后放入氟硅烷乙醇溶液中大于90min，取出后烘干，获得超疏水表面；

(4)超疏水表面处理：在步骤(3)得到的铝合金基底及光刻胶放入烘箱中，在70℃下预热大于10min，将预热后铝合金基底的超疏水表面涂覆一层光刻胶，将涂覆光刻胶的表面通过真空吸盘固定于匀胶机上，并以500r/min的转速旋涂10s，以2800r/min的转速旋涂30s；将匀胶后的铝合金基底放入烘箱中，在90℃下前烘20min；

(5)对覆胶基底进行特殊的光刻处理，制备特定形状的水滴定向滚动轨迹：

在前烘后的铝合金基底表面覆盖掩膜，掩膜上有一截宽度为400μm，半径为50mm的圆弧透光段；将覆盖有掩膜的基底进行紫外曝光，曝光时间为25s，显影，显影时间为2min，清洗处理时间为1min；将处理后的铝合金基底放入烘箱中，在130℃下后烘30min，取出后空冷至室温；铝合金基底上被紫外光照到的部分光刻胶未被去除，其余部分光刻胶被去除，得到具有一段光刻胶圆弧轨迹的铝合金基底的超疏水表面，圆弧轨迹半径为50mm，宽度为400μm，该轨迹具有水滴定向运输特性。