CN104991460B - 一种表面润湿性可调控装置及调控方法 - Google Patents
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Abstract
一种表面润湿性可调控的装置，包括计算机，运动控制器，连接线，电机，丝杆，圆柱形导轨，滑块，固定座，连接杆Ⅰ，连接杆Ⅱ，薄片组合A，薄片组合B，调控表面，左侧板，右侧板和下侧板，薄片组合A和薄片组合B的上表面共同组合成调控表面。调控薄片组合A和薄片组合B上表面的相对位置，在调控表面实现表面微结构不同，从而使表面润湿性不同，达到使表面具有所需的接触角。有益效果是：该润湿性调控方案简单、效果明显、重复性好，适用于微流体系统。
Description
技术领域
本发明属于表面润湿技术领域，尤其涉及疏水性表面制备技术，可精确控制表面的疏水特性。
背景技术
润湿特性是固体表面的重要性质之一，主要与固体表面自由能和表面微观几何结构两个因素相关，其对材料在液体传输、摩擦、防腐蚀等领域具有重要的影响。润湿性的调控是指：在外部条件的刺激下，润湿特性发生的可逆转变。现有技术的润湿特性发生可逆转变的外部条件主要包括力学方法、光照方法、电场方法、热和化学方法等。
现有技术中，张继林等人在德国期刊《大分子快讯(Macromolecular RapidCommunication)》第26卷第6期上发表的题为“基于对弹性聚酰胺膜拉伸和卸载的表面超疏水/超亲水可逆调控(Reversible Superhydrophobicity to SuperhydrophilicityTransition by Extending and Unloading an Elastic Polyamide Film)”的论文，文中记载了使用拉伸表面的方法实现表面接触角在151.2°和0°之间的可逆调控。
刘长松等人在《中国有色金属学报》第17卷第10期上发表的题名为“HF对微纳米ZnO的形貌及其润湿性的影响”的论文，文中记载了真空紫外光照射对微纳米ZnO结构表面润湿性的影响，实现表面润湿性调控。
中科院江雷院士课题组在德国期刊《先进材料(Advanced Materials)》第19卷第18期上发表的题名为“超疏水和超亲水之间转变的多重响应表面(MultiresponsiveSurfaces Change Between Superhydrophilicity and Superhydrophobicity)”的论文，文中记载了使用温度和pH值对表面润湿性进行调控的过程。
现有技术的不足是：实现反复调控比较复杂，不太适用于微流体系统。因为润湿性可调控表面作为微流体系统微通道的壁面，在微流体系统装配完成后，润湿性可调控表面整体形状很难再发生改变，对其表面进行紫外照射也比较困难。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种表面润湿性调控技术与装置，通过改变接触表面的几何结构，从而改变液体与表面的接触状态，实现表面润湿性的调控，结构简单，易于加工，成本低廉。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种表面润湿性可调控装置，包括计算机、接触角测量仪和可调控润湿机构，其特征在于：所述可调控润湿机构包括：薄片组合A、薄片组合B、运动控制器、电机、丝杆、导轨、滑块、固定座、连接杆Ⅰ、连接杆Ⅱ、左侧板、右侧板和下侧板；所述固定座是筒体结构，固定座底部安装有两根相互平行的竖立导轨，两根导轨分别位于固定座中心线两侧，所述电机安装在固定座底部，所述丝杆竖立安装在固定座内，丝杆轴线与固定座中心线重合，丝杆下端与电机输出轴相连，所述滑块中心处开有与丝杆相互匹配的内螺纹孔，滑块中心线两侧有与固定座中心线两侧导轨相匹配的通孔，丝杆和导轨分别与滑块中心处内螺纹孔和两侧通孔配合连接，形成直线丝杆导轨结构，由电机控制丝杆转动；所述薄片组合A和薄片组合B均由矩形薄片组成，其中薄片组合A的矩形薄片的宽度∶薄片组合B矩形薄片的宽度＝1∶1.3～1∶1.5，薄片组合A的矩形薄片的长度∶薄片组合B的矩形薄片的长度＝1∶0.8～1∶0.5，组合中，由一片薄片组合A的矩形薄片上叠放一片薄片组合B的矩形薄片，再在薄片组合B的矩形薄片上叠放一片薄片组合A的矩形薄片，依此方式交替叠放组合，其中，所有薄片组合A的矩形薄片通过左右两侧的左侧板和右侧板固定连接成一体，构成薄片组合A，所有薄片组合A的矩形薄片上边的表面齐平，构成薄片组合A上表面，所有薄片组合B的矩形薄片通过下边的下侧板固定连接成一体，构成薄片组合B，所有薄片组合B的矩形薄片上边的表面齐平，构成薄片组合B上表面，薄片组合A上表面和薄片组合B上表面共同构成可调控润湿机构的调控表面，薄片组合A的左侧板和右侧板分别通过连接杆Ⅰ与固定座固定连接，薄片组合B的下侧板通过连接杆Ⅱ与滑块连接，薄片组合B能随滑块上下运动，在薄片组合A上表面和薄片组合B上表面齐平状态下，对可调控润湿机构的调控表面做疏水性处理，获得一定疏水性的可调控润湿机构的调控表面；所述运动控制器与电机通过连接线连接，运动控制器通过连接线与计算机连接，接触角测量仪通过连接线与计算机连接。
本发明所述的一种表面润湿性可调控装置，其特征在于：所述薄片组合A的矩形薄片厚度为0.16mm～0.60mm，薄片组合B的矩形薄片厚度为0.16mm～0.60mm，组成可调控润湿机构的所有薄片组合A的矩形薄片的厚度相同，所有薄片组合B的矩形薄片的厚度相同，薄片组合A的矩形薄片厚度与薄片组合B的矩形薄片厚度相同或不同。
本发明所述的一种表面润湿性可调控装置，其特征在于：所述薄片组合A由5片以上薄片组合A的矩形薄片组成，薄片组合B由5片以上薄片组合B的矩形薄片组成。
本发明所述的一种表面润湿性可调控装置，其特征在于：所述接触角测量仪为德国公司产的Easy Drop型接触角测量仪，包括摄像机、微量注射器和光源，微量注射器置于可调控润湿机构的调控表面的上方，摄像机和光源分别置于可调控润湿机构的调控表面的左右两侧，摄像机与计算机通过连接线连接。
本发明所述一种表面润湿性可调控装置的调控方法，其特征在于：所述调控方法包括：
1)打开接触角测量仪，用摄像机观测薄片组合A上表面和薄片组合B上表面的相对位置；
2)打开运动控制器，使电机转动，带动滑块移动，滑块带动薄片组合B移动，至薄片组合B上表面与薄片组合A上表面重合，即薄片组合B上表面与薄片组合A上表面高度差为零，停止电机转动；
3)控制微量注射器向可调控润湿机构的调控表面滴落液滴，液滴体积为2ul，摄像机拍摄液滴在可调控润湿机构的调控表面的形状后，配套软件测出其表面接触角；
4)运动控制器控制电机反向转动，分别使薄片组合B上表面处于低于薄片组合A上表面0～1mm的不同位置，摄像机跟踪拍摄在不同位置下的液滴在可调控润湿机构的调控表面的形状，测得薄片组合B上表面在低于薄片组合A上表面不同位置时液滴在可调控润湿机构的调控表面的接触角；运动控制器控制电机继续反向转动，使薄片组合B上表面处于低于薄片组合A上表面1mm以上，摄像机拍摄液滴在可调控润湿机构的调控表面的形状，测得的是薄片组合A上表面的表面接触角；
5)运动控制器控制电机正向转动，分别使薄片组合B上表面处于高于薄片组合A上表面0～1mm的不同位置，摄像机跟踪拍摄在不同位置下的液滴在可调控润湿机构的调控表面的形状，测得薄片组合B上表面在高于薄片组合A上表面不同位置时液滴在可调控润湿机构的调控表面的接触角；运动控制器控制电机继续正向转动，使薄片组合B上表面处于高于薄片组合A上表面1mm以上，摄像机拍摄液滴在可调控润湿机构的调控表面的形状，测得的是薄片组合B上表面的表面接触角
本发明所述一种表面润湿性可调控的装置的调控方法，其特征在于：所述滑块最小位移为10μm。
本发明的装置，薄片组合A与薄片组合B两者的上表面共同形成了可调控润湿机构的调控表面，当薄片组合A与薄片组合B两者的上表面相对位置不同时，即两表面处于不同的水平高度时，对应的可调控润湿机构的调控表面的微结构不同，其表面润湿性也不同。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
4.利用机械力学方法，可精确控制表面的微观结构，从而实现了表面润湿性调控，调控效果明显。
5.实验方案易于实现，且重复性好。
6.适用于微流体系统，可将此表面作为微通道的一侧壁面，从而设计出一种壁面润湿性可调的微通道。
附图说明
图1是本发明的表面润湿性可调控装置的系统回路图。
图2是本发明的表面润湿性可调控装置的可调控润湿机构示意图。
图3是薄片组合A和薄片组合B组装的主视图。
图4是图3局部A处放大示意图。
图5是薄片组合A和薄片组合B组装的左视图。
图6是薄片组合A和薄片组合B组装的俯视图。
图7是薄片组合A和薄片组合B的排列方式示意图。
图中，1.计算机，2.摄像机，3.微量注射器，4.光源，5.连接杆Ⅰ，6.连接杆Ⅱ，7.固定座，8.圆柱形导轨，9.滑块，10.丝杆，11.电机，12.连接线，13.运动控制器，14.薄片组合A上表面，15.薄片组合B上表面，16.左侧板，17.右侧板，18.下侧板，19.调控表面，20.两薄片组合上表面的高度差，21.薄片组合A，22.薄片组合B，23.薄片组合A的矩形薄片，24.薄片组合B的矩形薄片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
表面润湿性调控装置，包括计算机1、接触角测量仪和可调控润湿机构的，可调控润湿机构包括：薄片组合A21、薄片组合B22、运动控制器13、电机11、丝杆10、导轨8、滑块9、固定座7、连接杆Ⅰ5、连接杆Ⅱ6、左侧板16、右侧板17和下侧板18；固定座7是筒体结构，固定座7底部安装有两根相互平行的竖立导轨8，两根导轨8分别位于固定座7中心线两侧，电机11安装在固定座7底部，丝杆10竖立安装在固定座7内，丝杆10轴线与固定座7中心线重合，丝杆10下端与电机11输出轴相连，滑块9中心处开有与丝杆10相互匹配的内螺纹孔，滑块9中心线两侧有与固定座7中心线两侧导轨8相匹配的通孔，丝杆10和导轨8分别与滑块9中心处内螺纹孔和两侧通孔配合连接，三者形成直线丝杆导轨结构，由电机11控制丝杆10转动；薄片组合A21和薄片组合B22均由10～30片厚度为0.16mm～0.6mm的矩形薄片组成，其中薄片组合A的矩形薄片23的宽度∶薄片组合B的矩形薄片24的宽度＝1∶1.3～1∶1.5，薄片组合A的矩形薄片23的长度∶薄片组合B的矩形薄片24的长度＝1∶0.8～1∶0.5，组合中，由一片薄片组合A的矩形薄片23上叠放一片薄片组合B的矩形薄片24，再在薄片组合B的矩形薄片24上叠放一片薄片组合A的矩形薄片23，依此方式交替叠放组合，其中，所有薄片组合A的矩形薄片23通过左右两侧的左侧板16和右侧板17固定连接成一体，构成薄片组合A21，所有薄片组合A的矩形薄片23上边的表面齐平，构成薄片组合A上表面14，所有薄片组合B的矩形薄片24通过下边的下侧板18固定连接成一体，构成薄片组合B22，所有薄片组合B的矩形薄片24上边的表面齐平，构成薄片组合B上表面15，薄片组合A上表面14和薄片组合B上表面15共同构成可调控润湿机构的调控表面19，薄片组合A21的左侧板16和右侧板17分别通过连接杆Ⅰ5与固定座7固定连接，薄片组合B22的下侧板18通过连接杆Ⅱ6与滑块9连接，薄片组合B22能随滑块9上下运动，在薄片组合A上表面14和薄片组合B上表面15齐平状态下，对可调控润湿机构的调控表面19做疏水性处理，获得一定润湿接触角的可调控润湿机构的调控表面19；运动控制器13与电机11通过连接线电连接，运动控制器13通过连接线与计算机1电连接，接触角测量仪通过连接线与计算机1电连接，接触角测量仪为德国公司产的EasyDrop型接触角测量仪，包括摄像机2、微量注射器3和光源4，微量注射器3置于可调控润湿机构的调控表面19的上方，摄像机2和光源4分别置于可调控润湿机构的调控表面19的左右两侧，摄像机2与与计算机1电连接。
调控方法包括：
1)打开接触角测量仪，用摄像机2观测薄片组合A上表面14和薄片组合B上表面15的相对位置；
2)打开运动控制器13，使电机11转动，带动滑块9移动，滑块(9)最小位移为10μm，滑块9带动薄片组合B22移动，至薄片组合B上表面15与薄片组合A上表面14重合，即薄片组合B上表面15与薄片组合A上表面14高度差20为零，停止电机11转动；
3)控制微量注射器3向可调控润湿机构的调控表面19滴落液滴，液滴体积为2ul，摄像机2拍摄液滴在可调控润湿机构的调控表面19的形状后，配套软件测出其表面接触角；
4)运动控制器13控制电机11反向转动，分别使薄片组合B上表面15处于低于薄片组合A上表面14 0～1mm的不同位置，摄像机2跟踪拍摄在不同位置下的液滴在可调控润湿机构的调控表面19的形状，测得薄片组合B上表面15在低于薄片组合A上表面14不同位置时液滴在可调控润湿机构的调控表面19的接触角；运动控制器13控制电机11继续反向转动，使薄片组合B上表面15处于低于薄片组合A上表面14 1mm以上，摄像机2拍摄液滴在可调控润湿机构的调控表面19的形状，测得的是薄片组合A上表面14的表面接触角；
5)运动控制器13控制电机11正向转动，分别使薄片组合B上表面15处于高于薄片组合A上表面14 0～1mm的不同位置，摄像机2跟踪拍摄在不同位置下的液滴在可调控润湿机构的调控表面19的形状，测得薄片组合B上表面15在高于薄片组合A上表面14不同位置时液滴在可调控润湿机构的调控表面19的接触角；运动控制器13控制电机11继续正向转动，使薄片组合B上表面15处于高于薄片组合A上表面14 1mm以上，摄像机2拍摄液滴在可调控润湿机构的调控表面19的形状，测得的是薄片组合B上表面15的表面接触角。
实施例1
薄片组合A21和薄片组合B22都是由20片20mm(长)×10mm(宽)×0.18mm(厚)的薄片制备成的薄片组合，其中，薄片组合A矩形薄片23的长边水平放置，薄片组合B矩形薄片24的短边水平放置，薄片组合A矩形薄23与薄片组合B矩形薄片24呈相互垂直状态，薄片排列完成后，在薄片组合A21的左右两侧粘接左侧板16和右侧板17，固定20片薄片组合A矩形薄片23的相对位置，在薄片组合B22的下侧面处粘接下侧板18，固定20片薄片组合B矩形薄片24的相对位置。两组薄片固定完成后，调节薄片组合A上表面14和薄片组合B22上表面15的相对位置，使二者的上表面(14和15)重合，组成润湿表面装置调控表面19，然后润湿表面装置调控表面19进行疏水性处理，过程包括紫外灯照射1小时，然后进行自组装分子膜沉积，得到表面接触角为116°的可调控润湿机构的调控表面19。
对此可调控润湿机构的调控表面19进行调控测试，在薄片组合B上表面15与薄片组合A上表面14重合，即薄片组合B上表面15与薄片组合A上表面14高度差20为零时，测得的表面接触角为116°；在薄片组合B上表面15处于低于薄片组合A上表面14 0～1mm的不同位置时，测得薄片组合B上表面15在低于薄片组合A上表面14不同位置时液滴在可调控润湿机构的调控表面19的接触角在116°～142°范围内变化；在薄片组合B上表面15处于低于薄片组合A上表面14 1mm以上时，测得的表面接触角是142°，是薄片组合A上表面14的表面接触角；在薄片组合B上表面15处于高于薄片组合A上表面14 0～1mm的不同位置时，测得薄片组合B上表面15在高于薄片组合A上表面14不同位置时液滴在可调控润湿机构的调控表面19的接触角在116°～142°范围内变化；在薄片组合B上表面15处于高于薄片组合A上表面141mm以上时，测得的表面接触角是142°，是薄片组合B上表面15的表面接触角。
实施例2
薄片组合A21和薄片组合B22都是由20片20mm(长)×10mm(宽)的薄片制备成的薄片组合，制备过程与实施例1相同，只是薄片的厚度不同，其中，薄片组合A矩形薄片23的厚度为0.18mm，，薄片组合B矩形薄片24的厚度0.42mm。
对此可调控润湿机构的调控表面19进行调控测试，在薄片组合B上表面15与薄片组合A上表面14重合，即薄片组合B上表面15与薄片组合A上表面14高度差20为零时，测得的表面接触角为116°；在薄片组合B上表面15处于低于薄片组合A上表面14 0～1mm的不同位置时，测得薄片组合B上表面15在低于薄片组合A上表面14不同位置时液滴在可调控润湿机构的调控表面19的接触角在116°～150°范围内变化；在薄片组合B上表面15处于低于薄片组合A上表面14 1mm以上时，测得的表面接触角是150°，是薄片组合A上表面14的表面接触角；在薄片组合B上表面15处于高于薄片组合A上表面14 0～1mm的不同位置时，测得薄片组合B上表面15在高于薄片组合A上表面14不同位置时液滴在可调控润湿机构的调控表面19的接触角在116°～129°范围内变化；在薄片组合B上表面15处于高于薄片组合A上表面141mm以上时，测得的表面接触角是129°，是薄片组合B上表面15的表面接触角。
Claims (6)
1.一种表面润湿性可调控装置，包括计算机(1)、接触角测量仪和可调控润湿机构，其特征在于：所述可调控润湿机构包括：薄片组合A(21)、薄片组合B(22)、运动控制器(13)、电机(11)、丝杆(10)、导轨(8)、滑块(9)、固定座(7)、连接杆Ⅰ(5)、连接杆Ⅱ(6)、左侧板(16)、右侧板(17)和下侧板(18)；所述固定座(7)是筒体结构，固定座(7)底部安装有两根相互平行的竖立导轨(8)，两根导轨(8)分别位于固定座(7)中心线两侧，所述电机(11)安装在固定座(7)底部，所述丝杆(10)竖立安装在固定座(7)内，丝杆(10)轴线与固定座(7)中心线重合，丝杆(10)下端与电机(11)输出轴相连，所述滑块(9)中心处开有与丝杆(10)相互匹配的内螺纹孔，滑块(9)中心线两侧有与固定座(7)中心线两侧导轨(8)相匹配的通孔，丝杆(10)和导轨(8)分别与滑块(9)中心处内螺纹孔和两侧通孔配合连接，三者形成直线丝杆导轨结构，由电机(11)控制丝杆(10)转动；所述薄片组合A(21)和薄片组合B(22)均由矩形薄片组成，其中薄片组合A的矩形薄片(23)的宽度∶薄片组合B的矩形薄片(24)的宽度＝1∶1.3～1∶1.5，薄片组合A的矩形薄片(23)的长度∶薄片组合B的矩形薄片(24)的长度＝1∶0.8～1∶0.5，组合中，由一片薄片组合A的矩形薄片(23)上叠放一片薄片组合B的矩形薄片(24)，再在薄片组合B的矩形薄片(24)上叠放一片薄片组合A的矩形薄片(23)，依此方式交替叠放组合，其中，所有薄片组合A的矩形薄片(23)通过左右两侧的左侧板(16)和右侧板(17)固定连接成一体，构成薄片组合A(21)，所有薄片组合A的矩形薄片(23)上边的表面齐平，构成薄片组合A上表面(14)，所有薄片组合B矩形薄片(24)通过下边的下侧板(18)固定连接成一体，构成薄片组合B(22)，所有薄片组合B的矩形薄片(24)上边的表面齐平，构成薄片组合B上表面(15)，薄片组合A上表面(14)和薄片组合B上表面(15)共同构成可调控润湿机构的调控表面(19)，薄片组合A(21)的左侧板(16)和右侧板(17)分别通过连接杆Ⅰ(5)与固定座(7)固定连接，薄片组合B(22)的下侧板(18)通过连接杆Ⅱ(6)与滑块(9) 连接，薄片组合B(22)能随滑块(9)上下运动，在薄片组合A上表面(14)和薄片组合B上表面(15)齐平状态下，对可调控润湿机构的调控表面(19)做疏水性处理，获得具有一定疏水性的可调控润湿机构的调控表面(19)；所述运动控制器(13)与电机(11)通过连接线(12)连接，运动控制器(13)通过连接线(12)与计算机(1)连接，接触角测量仪通过连接线(12)与计算机(1)连接。
2.如权利要求1所述的一种表面润湿性可调控装置，其特征在于：所述薄片组合A的矩形薄片(23)厚度为0.16mm～0.60mm，薄片组合B的矩形薄片(24)厚度为0.16mm～0.60mm，组成可调控润湿机构的所有薄片组合A的矩形薄片(23)的厚度相同，所有薄片组合B的矩形薄片(24)的厚度相同，薄片组合A的矩形薄片(23)厚度与薄片组合B的矩形薄片(24)厚度相同或不同。
3.如权利要求2所述的一种表面润湿性可调控装置，其特征在于：所述薄片组合A(21)由5片以上薄片组合A的矩形薄片(23)组成，薄片组合B(22)由5片以上薄片组合B的矩形薄片(24)组成。
4.如权利要求1所述的一种表面润湿性可调控装置，其特征在于：所述接触角测量仪为德国公司产的Easy Drop型接触角测量仪，包括摄像机(2)、微量注射器(3)和光源(4)，微量注射器(3)置于润湿表面装置调控表面(19)的上方，摄像机(2)和光源(4)分别置于可调控润湿机构的调控表面(19)的左右两侧，摄像机(2)与计算机(1)通过连接线(12)连接。
5.权利要求1所述一种表面润湿性可调控装置的调控方法，其特征在于：所述调控方法包括：
1)打开接触角测量仪，用摄像机(2)观测薄片组合A上表面(14)和薄片组合B上表面(15)的相对位置；
2)打开运动控制器(13)，使电机(11)转动，带动滑块(9)移动，滑块(9)带动薄片组合B(22)移动，至薄片组合B上表面(15)与薄片组合A上表面(14)重合，即薄片组合B上表面(15)与薄片组合A上表面(14)高度差(20)为零，停止电机(11)转动；
3)控制微量注射器(3)向可调控润湿机构的调控表面(19)滴落液滴，液滴体积为2ul，摄像机(2)拍摄液滴在可调控润湿机构的调控表面(19)的形状后，配套软件测出可调控润湿机构的调控表面(19)表面接触角；
4)运动控制器(13)控制电机(11)反向转动，分别使薄片组合B上表面(15)处于低于薄片组合A上表面(14)0～1mm的不同位置，摄像机(2)跟踪拍摄在不同位置下的液滴在可调控润湿机构的调控表面(19)上的形状，测得薄片组合B上表面(15)在低于薄片组合A上表面(14)不同位置时液滴在可调控润湿机构的调控表面(19)的接触角；运动控制器(13)控制电机(11)继续反向转动，使薄片组合B上表面(15)处于低于薄片组合A上表面(14)1mm以上，摄像机(2)拍摄液滴在可调控润湿机构的调控表面(19)的形状，测得的是薄片组合A上表面(14)的表面接触角；
5)运动控制器(13)控制电机(11)正向转动，分别使薄片组合B上表面(15)处于高于薄片组合A上表面(14)0～1mm的不同位置，摄像机(2)跟踪拍摄在不同位置下的液滴在可调控润湿机构的调控表面(19)的形状，测得薄片组合B上表面(15)在高于薄片组合A上表面(14)不同位置时液滴在可调控润湿机构的调控表面(19)的接触角；运动控制器(13)控制电机(11)继续正向转动，使薄片组合B上表面(15)处于高于薄片组合A上表面(14)1mm以上，摄像机(2)拍摄液滴在可调控润湿机构的调控表面(19)的形状，测得的是薄片组合B上表面(15)的表面接触角。
6.如权利要求5所述一种表面润湿性可调控装置的调控方法，其特征在于：所述滑块(9)最小位移为10μm。
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