CN104437691B - 一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵及其制备方法和用途，属于功能材料及流体控制技术领域。本发明通过超疏水大孔网材单面定点粘附到高分子管材末端，管材内部中填充亲水材料层，成功实现了液滴的收集与反重力运输。在使用本发明自发反重力运输微小水滴的超疏水泵进行液滴反重力传输时，可利用超疏水基底盛放小液滴后直接拾取，也可以利用疏水性针头将小液滴连续不断的运输到超疏水泵的下表面，使其向上汇聚、提升液面，实现了高效、快速、安全的液滴传输。

Description

一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于功能材料及流体控制技术领域，特别涉及用于微液滴收集以及微流控器件设计等领域，具体地说，是指一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵及其制备方法和用途。

背景技术

随着界面科学的发展，设计合成多功能集成的微流控器件是目前材料领域的重要研究内容之一。其中对于液滴的收集、操纵以及驱动等问题直接关系到微流控器件的发展与应用，有着巨大的科研以及应用的前景。通常利用机械泵等外加推进装置可以实现对微流控器件中液体流动方向及高度的调控，但是这些方法都需要电场等外加能量来源，并且制备工作复杂，从而限制了此类器件的发展。

通过学习自然界中液体的反重力传输现象，利用超疏水材料可以最大程度保存液滴的自身表面能，当液滴与大表面积的液面相合并之时，可以较大程度的释放出其自身的表面能，并且推动水的反重力运输以及液流前进。

发明内容

本发明的一目的在于提供用于自发反重力运输微小水滴的超疏水“泵”。

本发明的再一目的在于提供用于自发反重力运输微小水滴的超疏水“泵”的制备方法。

本发明的另一目的在于提供自发反重力运输微小水滴超疏水“泵”的用途。

本发明受超疏水表面液滴合并后的弹跳现象启发，利用小液滴与液膜之间融合所释放的表面能作为驱动力，实现了液体的反重力运输。通过超疏水大孔网状材料单面定点粘附到高分子管材末端，其管材内部中填充亲水材料层，成功实现了液滴的收集与反重力运输。即本发明的用于自发反重力运输微小水滴超疏水“泵”。

本发明的用于自发反重力运输微小水滴的超疏水“泵”，是通过超疏水大孔网材与高分子管材整合构建的。

所述的用于自发反重力运输微小水滴的超疏水“泵”对水滴的接触角在150°以上。

所述的超疏水大孔网材的最大孔径在200～500微米。优选孔径在250～500微米。

所述的高分子管材的内径大于4毫米，优选内径为8毫米的管材。

所述的高分子管材内的亲水材料可以为纤维素膜或是水层，优选3～5mm左右厚的水层作为内部亲水层。

利用固体粘结剂将超疏水大孔网材与高分子管材相粘结，固体粘合剂优选纤维素基的聚丙烯酯类粘结剂。

本发明一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水“泵”，基于超浸润网状材料的仿生构筑，搭建多功能超浸润液体“泵”。通过研究网状材料的浸润性、孔径、粘附力等参数对液体“泵”反重力输运性能的影响。通过优化实验参数，获得最优化的液体反重力传输器件。基于超浸润智能网状材料，构建多功能、智能响应性的反重力液滴“泵”运输体系，并深入考察了响应时间、外场强度等参数对液体“泵”的影响及其稳定性。探索该材料体系在微流控、液体收集等领域的应用。

在使用本发明自发反重力运输微小水滴的超疏水“泵”进行液滴反重力传输时，可利用超疏水基底盛放小液滴后直接拾取，也可以利用疏水性针头将小液滴连续不断的运输到超疏水泵的下表面，使其向上汇聚、提升液面。由于下表面小液滴完全受液面的拉普拉斯压的推动，上方液膜可以顺利的吸收下方小液滴，并且推动自身上升。通过对超疏水泵测试得到，利用直径为1.5毫米的液滴可以将上方同直径的液柱垂直抬升14毫米。进一步利用此超疏水泵可以对微流控器件连续提供水流及动力。

合理构筑固-液界面特性，利用液滴表面能的释放来实现反重力下液滴的自驱动输运，本发明制备出系列多功能超浸润液体“泵”，进而拓展超浸润材料的研究范围，为微流控系统、油水分离等研究方向提供新的思路与应用。

本发明的用于自发反重力运输微小水滴的超疏水“泵”制备成本低廉，原料易得，生产工艺简单，可用于大规模制备，并且有很强的整合能力，可以与多种微流控及液体操控体系相整合。本发明对于液体传输和提升的作用明显，可以实现在无外力情况下的反重力液体传输，从一个方面实现了“水往高处走”，实现了高效、快速、安全的液滴传输。

附图说明

图1a.本发明实施例1制备的用于自发反重力运输微小水滴的超疏水“泵”以及其所使用的超疏水大孔网材的照片。

图1b.本发明实施例1制备的用于自发反重力运输微小水滴的超疏水“泵”所使用的超疏水大孔网材的扫描电镜照片(图中标尺为50微米)。

图2.本发明中的用于自发反重力运输微小水滴的超疏水“泵”的装置示意图。

图3.本发明实施例1中用于自发反重力运输微小水滴的实际过程照片。

图4.本发明实施例2中用于连续自发反重力运输微小水滴的实际过程照片。

图中：

1.高分子管材；2.超疏水大孔网材；3.粘结剂；4.亲水材料层；5.液滴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵，如图2所示，所述的超疏水泵包括超疏水大孔网材2和高分子管材1，所述的超疏水大孔网材2通过粘结剂3固定在高分子管材1的一端，并在所述高分子管材1内部、超疏水大孔网材2上表面填充亲水材料层4，形成超疏水泵。将所述高分子管材1竖直放置，超疏水大孔网材2在下方，与所述超疏水大孔网材2下表面接触的液滴5会在拉普拉斯压的推动作用下向上(即向高分子管材1内部)运动，实现反重力运输微小液滴。

所述高分子管材1的内径大于4mm，优选8mm。所述超疏水大孔网材2的孔径为200～500微米，优选250～500微米。

所述的亲水材料层4可以选择水层或者纤维素膜，亲水材料层的厚度为3～5mm。

实施例1：

将商品化的50目铜网(最大孔径约500微米)利用4M盐酸浸泡10分钟，然后利用1M氢氧化钠与0.13M过硫酸铵浸泡铜网5分钟，洗净晾干。再利用1mM十二烷基硫醇的乙醇溶液浸泡2小时后，利用乙醇冲洗干净，晾干得到超疏水大孔网材2，即超疏水铜网，如图1a所示，所示的超疏水铜网具有超疏水性，对水滴的接触角在150°以上。如图1b所示，所述的超疏水铜网表面存在典型的微纳米复合结构,此类结构对于增强铜网的疏水性能起着极为重要的作用。利用纤维素基聚丙烯酸酯类胶带将超疏水铜网与内径8毫米、外径10毫米的高分子管材1进行粘合，得到超疏水泵。垂直安置所得到的超疏水泵，高分子管材1中滴加约3～5毫米的水层作为亲水材料层4。如图3所示，利用疏水注射器将液滴连续运输到超疏水泵下表面并与超疏水铜网接触，由于不对称拉普拉斯压的作用，上方水层被连续抬升至14毫米左右，实现反重力液体运输。

实施例2.

将商品化的50目铜网(最大孔径约500微米)利用4M盐酸浸泡10分钟，利用1M氢氧化钠与0.13M过硫酸铵浸泡铜网5分钟，洗净晾干。利用1mM十二烷基硫醇的乙醇溶液浸泡2小时后，利用乙醇冲洗干净，晾干得到超疏水大孔网材，即超疏水铜网。利用纤维素基聚丙烯酸酯类胶带将超疏水铜网与内径5毫米、外径6毫米的高分子弯管进行粘合，得到超疏水泵。如图4所示，安置所得到的超疏水泵，弯管中设置3～5毫米的纤维素膜层作为亲水材料层4。利用疏水注射器将液滴连续运输到超疏水泵下表面，由于不对称拉普拉斯压的作用，液滴被连续运输到约1厘米高的平台上，此时的平台上可以设置超疏水基底，实现连续化自发反重力运输液体。

Claims (7)

1.一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵，其特征在于：所述的超疏水泵包括超疏水大孔网材和高分子管材，所述的超疏水大孔网材通过粘结剂固定在高分子管材的一端，并在所述高分子管材内部、超疏水大孔网材上表面填充亲水材料层，形成超疏水泵。

2.根据权利要求1所述的一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵，其特征在于：所述高分子管材的内径大于4mm，所述超疏水大孔网材的孔径为200～500微米。

3.根据权利要求2所述的一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵，其特征在于：所述高分子管材的内径8mm，所述超疏水大孔网材的孔径为250～500微米。

4.根据权利要求1所述的一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵，其特征在于：所述的亲水材料层选择水层或者纤维素膜，亲水材料层的厚度为3～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵，其特征在于：所述的粘合剂为纤维素基的聚丙烯酯类粘结剂。

6.一种用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵的制备方法，其特征在于：将超疏水大孔网材单面定点粘附到高分子管材末端，在高分子管材内部中填充亲水材料层，实现了液滴的收集与反重力运输，即用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵。

7.一种权利要求1所述的用于自发反重力运输微小水滴的超疏水泵的应用，其特征在于：将所述高分子管材竖直放置，超疏水大孔网材在下方，与所述超疏水大孔网材下表面接触的液滴会在拉普拉斯压的推动下，向高分子管材内部运动，实现反重力运输微小液滴，对微流控器件连续提供水流及动力。