CN105798363A - 一种粘附力可控亲水微图案加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面处理及微加工领域，涉及一种粘附力可控亲水微图案加工方法。该方法通过微铣削加工工艺在超疏水表面加工亲水微坑及微沟道等图案结构，并通过控制所加工微图案的尺寸和形状实现液滴粘附力控制、定向运输及液滴间无泵传输等应用。该方法包含的步骤有：构建表面微纳米粗糙结构、降低表面能及铣削加工微图案。本发明所需设备简单，具有加工快速、成本低、无污染、通用性高等优点，适用于所有可机械加工基底。所加工的亲水图案性能稳定，图形精度控制高，在液滴存贮、转移、定向运输及无泵运输等方面具有潜在应用价值。

Description

一种粘附力可控亲水微图案加工方法

技术领域

本发明属于表面处理及微加工领域，涉及一种粘附力可控亲水微图案加工方法。

背景技术

接触角大于150°、滚动角小于10°的表面称为超疏水表面。超疏水表面由于具有优越的斥水性能，在自清洁、减阻、抗结冰和油水分离等领域具有重要应用价值。和全局超疏水表面相比，具有亲水图案的超疏水表面还具备动态转移液滴和存贮液滴的特殊功能。

目前，超疏水表面的亲水图案主要通过光刻、激光辐照、软刻蚀和等离子体处理等技术实现。例如，Franssila等(AdvancedMaterials,2008,20(18):3453-3456.)通过光刻和氧等离子体处理在深反应离子刻蚀的硅超疏水表面加工出了具有精确尺寸和边界的超亲水图案。Lee等(ACSappliedmaterials&interfaces,2011,3(12):4722-4729.)利用紫外光解作用，通过掩膜紫外光照在涂覆有十二烷基三氯硅烷的硅超疏水表面加工出了亲水轨迹。Hwang等人(AppliedSurfaceScience,2014,288:619-624.)通过激光加工的方法在铝超疏水表面获得了亲水图案。但上述方法存在设备昂贵、工艺复杂、效率低、通用性差、加工过程有毒等问题。如光刻技术可精确控制亲水图案的尺寸，但其工艺复杂，效率极低，加工过程中使用的试剂对环境和操作人员的危害较大，不适于构筑大尺度亲水图案；激光辐照需要昂贵的设备，生产成本高；等离子体处理所获得亲水图案的尺寸精度和亲水持久性较差。因此，开发一种高效、环保、成本低、通用性好的方法在超疏水表面加工出高持久性亲水微图案显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在工艺复杂、通用性低及图案亲水持久性差等不足，发明了一种粘附力可控亲水微图案加工方法，通过微铣削加工工艺，在金属基超疏水表面加工出粘附力可控的亲水微坑、微沟道图案，该方法具有成本低、操作简单、控制精度高及图案亲水持久性好等优点。

本发明的技术方案：

一种粘附力可控亲水微图案加工方法，步骤如下：

将超疏水样品固定在微铣削机床工作台上，保证其超疏水表面与微铣削工作台定位面平行，记垂直于超疏水样品的超疏水表面方向为XYZ坐标系的Z轴，通过控制系统降低Z轴上安装的旋转主轴的高度，使旋转铣刀切入超疏水表面并根据需求施加XY平面运动；其中，旋转主轴转速大于60r/min，铣刀直径大于50μm，铣削深度大于10μm，获得的亲水微坑或微沟道对水滴具有粘附力或各向异性粘附力，且该粘附力具有永久性；亲水微坑对水滴的粘附力通过亲水微坑直径实现定量调控，亲水微沟道对水滴的各向异性粘附力通过微沟道宽度定量调控。

所述的亲水微图案加工方法，超疏水样品是通过先制造微纳米粗糙结构后降低表面能获得超疏水性能，该样品表面材料可以是任何可机加工材料。

本发明的有益效果是：设备及工艺简单，加工过程快速、环保、成本低，借助三轴运动系统，可在超疏水界面加工出具有二维和三维结构的亲水图案，制备出的微图案亲水性能稳定。在水滴存贮、定向运输及无泵运输等领域有极大应用前景。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是水滴在铣削的亲水微坑上的粘附示意图。

图3是水滴在铣削的圆形亲水沟道上的定向运输示意图。

图4是水滴在铣削的亲水微通道上实现无泵传输示意图。

图中：1基底；2超疏水层；3铣削的亲水微坑；4铣削的圆形亲水沟道；5铣削的亲水微通道；6水滴。

具体实施方式

下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例是利用微铣削加工工艺在金属基超疏水表面加工出微坑及微沟道等亲水微图案并结合附图说明该方法在液滴粘附、液滴定向运输及无泵运输等方面的应用。

实施例一

在铝合金超疏水表面加工粘附力可控亲水微坑结构，具体方法如下：

(1)加工铝合金超疏水表面：利用电化学刻蚀及氟硅烷乙醇溶液浸泡获得铝合金超疏水表面。

(2)将超疏水样品固定在微铣削机床工作台上，保证超疏水表面与微铣削工作台定位面基本平行，记垂直于超疏水表面方向为XYZ坐标系的Z轴，通过控制系统降低安装于Z轴上旋转主轴的Z向高度，使旋转铣刀切入超疏水表面后，抬起Z轴在超疏水表面加工出直径为0.5mm的高粘附亲水微坑结构(图2)，其中铣刀直径0.5mm，铣刀转速20000r/min，Z向切入深度为80μm。如图2所示，由于液滴的表面张力，在亲水微坑上液滴所受粘附力更大，滚动角比在超疏水表面上大。其中15μL液滴在直径0.5mm微坑上的滚动角大于90°。更换铣刀直径可加工出具有不同粘附力的亲水微坑，所获得的微坑具有稳定的亲水性能，能够实现液滴存贮、转移等操作。

实施例二

在锌合金超疏水表面加工粘附力可控的亲水微沟道结构，具体方法如下：

(1)加工锌合金超疏水表面：通过电化学刻蚀及硬脂酸乙醇溶液浸泡获得锌合金超疏水表面。

(2)将超疏水样品固定在微铣削机床工作台上，保证超疏水表面与微铣削工作台定位面基本平行，记垂直于超疏水表面方向为XYZ坐标系的Z轴，通过控制系统降低安装于Z轴上旋转主轴的Z向高度，使旋转铣刀切入超疏水表面后，施加XY平面内的圆形轨迹位移在超疏水表面加工出圆形沟道结构(图3)，其中铣刀直径0.38mm，铣刀转速20000r/min，Z向切入深度为80μm，XY平面内圆形轨迹的直径为20mm。如图3所示，铣削的亲水沟道宽度为0.38mm，图案直径为20mm。当基片倾斜25°时，5μL液滴可以准确沿着亲水沟道快速滚下，并停止在圆形亲水图案的最底端。更换铣刀直径可加工出具有不同粘附力和定向运输能力的亲水沟道，所获得的微沟道具有稳定的亲水性能。

实施例三

在铜超疏水表面加工亲水微通道，实现液滴间无泵传输，具体方法如下：

(1)加工铜超疏水表面：利用化学刻蚀及氟硅烷乙醇溶液浸泡获得铜超疏水表面。

(2)将超疏水样品固定在微铣削机床工作台上，保证超疏水表面与微铣削工作台定位面基本平行，记垂直于超疏水表面方向为XYZ坐标系的Z轴，通过控制系统降低安装于Z轴上旋转主轴的Z向高度，使旋转铣刀切入超疏水表面后，施加XY平面位移在超疏水表面加工出二维亲水微通道结构(图4)，其中铣刀直径0.3mm，铣刀转速20000r/min，Z向切入深度为80μm。如图4所示。在铣削加工的亲水微通道两端分别放置两个不同体积的液滴，由于两个液滴张力不同，小液滴的液体会通过亲水通道自主流到大液滴处并与大液滴混合。

本发明所需设备简单，具有加工快速、成本低、无污染、通用性高等优点，适用于所有可机械加工基底。所加工的亲水图案性能稳定，图形精度控制高，在液滴存贮、转移、定向运输及无泵运输等方面具有潜在应用价值。

Claims (1)

1.一种粘附力可控亲水微图案加工方法，其特征在于，步骤如下：

将超疏水样品固定在微铣削机床工作台上，保证其超疏水表面与微铣削工作台定位面平行，记垂直于超疏水样品的超疏水表面方向为XYZ坐标系的Z轴，通过控制系统降低Z轴上安装的旋转主轴的高度，使旋转铣刀切入超疏水表面并根据需求施加XY平面运动；其中，旋转主轴转速大于60r/min，铣刀直径大于50μm，铣削深度大于10μm，获得的亲水微坑或微沟道对水滴具有粘附力或各向异性粘附力，且该粘附力具有永久性；亲水微坑对水滴的粘附力通过亲水微坑直径实现定量调控，亲水微沟道对水滴的各向异性粘附力通过微沟道宽度定量调控。