CN105951162A - 一种在金属基体上实现超亲水/超疏水润湿性图案的方法 - Google Patents

一种在金属基体上实现超亲水/超疏水润湿性图案的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种在金属基体上实现超亲水/超疏水润湿性图案的方法，属于金属表面处理及改性领域。该方法通过在制备的超亲水金属表面上选择性进行低表面能修饰获得超疏水区域，得到特定性状的超亲水区域，实现超亲水/超疏水润湿性图案化的目的。金属基体的光整，微纳米结构的加工，掩膜的镂空图案化加工，选择性低表面能修饰。本发明设备及工艺简单便捷，成本低，可控性较好；可通过对低表面能不干胶掩膜的加工实现任意形状的润湿性图案；可实现任意曲面基体的润湿性图案化；制备的润湿性图案化可长期使用，疏水区域和亲水区域润湿性稳定；利用此法在加工超亲水区域时不会改变原表面的微纳米粗糙结构，因而基片可重复使用，持久性和耐用性好。

Description

一种在金属基体上实现超亲水/超疏水润湿性图案的方法
技术领域
本发明属于金属表面处理领域，涉及一种选择性低表面能修饰制备金属基体上超亲水/超疏水润湿性图案的方法。
背景技术
极端润湿性表面是指与液体的接触角大于150°或小于10°的表面。其中与水的接触角大于150°的称为超疏水表面，小于10°的称为超亲水表面。自然界中存在大量天然的超疏水和超亲水表面，如具有自清洁效应的荷叶表面，在水面可自由行走的水黾的腿部，荷叶下表面以及蛤蜊壳内表面在空气中具有超亲水性而在水下具有超疏油特性，泥炭藓和松萝凤梨的表面显示超亲水性质，以此来增加水分的吸收。通过人工制备出的极端润湿性表面在自清洁、防雾、金属耐腐烛、抗结冰结霜、定向运输等方面具有广泛的应用
近年来，随着极端润湿性表面制备工艺的不断发展，研究者们开始在极端润湿性表面上借助其他手段进行润湿性的控制，制备出局部具有相反润湿性的区域，使表面呈现出亲/疏水性相间的润湿性图案。图案化润湿性表面在微流体系统、生物科学和制药行业等方面具有巨大应用价值，引起国内外生物、物理、化学、材料以及机械等领域学者的重视。目前制备图案化表面通常先在基体表面加工出特殊的微纳米结构，经修饰后金属表面呈超亲水性，或者直接在基体上涂覆超疏水涂层。然后采用含氟材料或硅氧烷等低表面能物质修饰获得疏水表面。再采用等离子体射流、紫外光等技术选择性改性，在超疏水表面上制备出超亲水区域。专利CN1526753A、CN1900408A、CN103789716A等介绍了采用等离子体对材料进行表面改性的装置和方法。专利CN101603177A、CN101016642A等介绍了采用紫外线照射处理材料表面的方法。Ghosh等的Wettability patterning for high-rate,pumpless fluid transport on open,non-planarmicrofluidic platforms,Lab on a Chip,2014,14(9),1538-1550.方法将PMC聚合物、TiO2纳米颗粒和乙醇混合在一起喷射沉积到基体上获得超疏水涂层，然后用紫外光照射掩膜覆盖下的涂层，获得特殊形状的超亲水区域，实现超疏水表面上水滴的图案化。该方法实现的图案化时效性差，经过一段时间亲水区域会逐渐恢复到疏水状态，不能长时间使用，具有局限性。陈发泽的Hydrophilicpatterning of superhydrophobic surfaces by atmospheric-pressure plasma jet,Micro&Nano Letter,2015,10(2),105-108.方法首先在铝片上刻蚀出粗糙的微纳米结构，然后用氟硅烷进行低表面能修饰后获得超疏水铝表面，最后在表面上覆盖掩膜后用大气压氮气冷等离子体射流处理，将未被掩膜遮挡的区域处理成亲水性质的表面，以此实现水的图案化。该方法工艺过程繁琐，要经过两次改性处理，并且氟硅烷等修饰物质具有一定的毒性，等离子体处理具有时效性，无法满足长期使用的要求。Nishimoto等的TiO2-basedsuperhydrophobic–superhydrophilic pattern with an extremely high wettabilitycontrast,Thin Solid Films,2014,588.221-226.方法利用水热法和自组装法结合制备出超疏水的TiO2薄膜，利用紫外光照射法在超疏水表面上制备出超亲水图案，其原理是具有疏水性能的磷酸正十八酯自组装膜遇紫外光分解，从而使特定区域呈现出超亲水性。该方法工艺复杂，并且可控性较差。另外一种应用较多的制备图案化润湿性表面的方法是通过制备不同的表面微纳米结构来达到控制润湿性的目的。专利CN 103966654A利用光刻技术在制备的超疏水铝合金表面上制备了一条宽约400微米的曲线路径，从而可实现该路径上的液滴运输。此方法中使用光刻技术会影响之前制备的超疏水性质，工艺过程较繁琐，不适合批量生产。Zhang等的A Simple Way To Achieve Pattern-Dependent TunableAdhesion in Superhydrophobic Surfaces by a Femtosecond Laser,ACS AppliedMaterials&Interfaces,2012,9，4905-4912.方法利用飞秒激光在硅表面加工出不同部位对水滴粘附度不同的超疏水表面，所得的二元微纳米结构表面是由周期性的疏水图案组成的。该方法需要昂贵的设备支持，对润湿性的控制也有一定的局限性，并且由于该方法是直接对结构的改变，原表面不能重复使用。
发明内容
本发明解决的问题是克服现有技术制备极端润湿性图案化表面的复杂性和稳定性差等不足，发明一种制备金属基体极端润湿性图案化表面的方法。通过将一种图案化处理的富含硅氧烷等低表面能成分的不干胶带贴覆在预制备的具有微纳米粗糙结构的金属表面，除去该胶带之后，便获得了超疏水/超亲水的极端润性表面。该方法简单、成本低，获得的润湿性图案化稳定性好，不随时间和温度的改变而变化。
本发明的技术方案：
一种在金属基体上实现超亲水/超疏水润湿性图案的方法，通过对加工出微纳米结构的金属表面进行选择低表面能修饰获得超亲水/超疏水润湿性图案化表面，步骤如下：
(1)金属基底的预处理：将金属基底进行抛磨、清洗和除油；
(2)在步骤(1)得到的金属基底表面制备出具有超亲水性的微纳米结构；
(3)含硅氧烷的不干胶作为掩膜，在其上加工出镂空图案；
(4)掩膜贴覆于超亲水金属基底表面上，与掩膜接触的超亲水金属基底表面被低表面能修饰，呈现超疏水性，镂空部分保持原有的超亲水，获得超亲水/超疏水润湿性图案。
步骤(4)中，可以通过水浴加热覆盖有掩膜的金属基底。
本发明的有益效果：
(1)工艺简单便捷，可在极短时间内制备出润湿性图案化表面，成本低，可控性较好。
(2)直接在超亲水表面选择性制备超疏水区域，无需制备成超疏水表面后再亲水性改性。
(3)可通过对掩膜形状的设计实现任意形状的润湿性图案。
(4)掩膜可贴附在任意形状的表面上，因而可实现任意曲面的润湿性图案化制备。
(5)用此法可制备出具有长期的稳定性和耐高温性质的润湿性图案化表面。
(6)利用此法在加工超亲水区域时不会改变原表面的微纳米粗糙结构，因而基片可重复使用，持久性和耐用性好。
(7)利用此方法制备润湿性图案化表面不受基体面积的影响，可实现任意大小润湿性图案化表面的制备。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是润湿性图案化表面的接触角随时间变化情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。水滴在超疏水表面的接触角大于150°而不会浸润表面；水滴在超亲水表面的接触角小于10°，滴在超亲水表面的水滴会迅速铺展而浸润表面，当一个表面上同时包括超疏水区域和超亲水区域时，超亲水区域会被水润湿并与超疏水区域具有明显的界限，这样就形成了润湿性图案化表面。
本发明方法的加工对象的金属基底可以且不限于铝、铜、锌、铁、钛合金、镁合金等金属或合金；在金属表面上加工超亲水微纳米粗糙表面的方法可以是化学刻蚀法、电化学刻蚀法、激光加工法、掩膜光刻法等；低表面能掩膜可以采用如聚酰亚胺胶带、PET高温绿膜胶带等；在低表面能掩膜上制备镂空图案可以采用数控雕刻、激光加工、模切、冲型等方法。
实施例1
利用本发明的方法对锌板进行极端润湿性图案化表面加工，结合本发明的流程如附图1所示，具体步骤如下：
1、先将锌板分别用800#和1500#的砂纸打磨去除表面氧化层，再将打磨后的锌板用无水乙醇和去离子水超声振荡清洗。吹干后获得光整的锌板。
2、使用氯化钠和硝酸钠混合水溶液对光整的锌板进行电化学刻蚀，其中氯化钠的浓度为0.05mol/L，硝酸钠的浓度为0.05mol/L，刻蚀时间60s，刻蚀电流密度500mA/cm2，清洗后获得纯净的刻蚀锌表面，此时显示超亲水性质。
3、设计图案形状，利用三维数控雕刻机对硅氧烷不干胶带进行镂空加工。
4、将加工好的不干胶带掩膜贴覆到刻蚀锌表面，80℃水浴加热20s。
5、揭掉掩膜后，即可在锌板基体上制备出超亲水/超疏水润湿性图案，其中与掩膜镂空图案部分对应的超亲水区域，剩余部分显示超疏水特性。制备的润湿性图案化表面的疏水区域和亲水区域的润湿性非常稳定，其接触角随时间变化情况如附图2所示。
实施例2
利用本发明的方法对铝棒的侧面进行极端润湿性图案化表面加工，结合本发明的流程如附图1所示，具体步骤如下：
1、先将铝棒的侧面分别用800#和1500#的砂纸打磨去除表面氧化层，再将打磨后的铝棒用无水乙醇和去离子水超声振荡清洗。吹干后获得光整的铝棒。
2、将光整的铝棒浸泡在室温中浸泡到CuCl2水溶液中化学刻蚀15s，取出后利用超声波振荡清洗去除表面的沉积物和杂质，去离子水清洗后吹干获得纯净的刻蚀铝表面，此时显示超亲水性质。
3、设计图案形状，利用三维数控雕刻机对硅氧烷不干胶带进行镂空加工。
4、将加工好的不干胶带掩膜沿着铝棒的侧面贴覆，60℃水浴加热30s。
5、揭掉掩膜后，即可在铝棒的侧面制备出超亲水/超疏水润湿性图案，其中与掩膜镂空图案部分对应的超亲水区域，剩余部分显示超疏水特性。

Claims (2)

1.一种在金属基体上实现超亲水/超疏水润湿性图案的方法，其特征在于，通过对加工出微纳米结构的金属表面进行选择低表面能修饰获得超亲水/超疏水润湿性图案化表面，步骤如下：
(1)金属基底的预处理：将金属基底进行抛磨、清洗和除油；
(2)在步骤(1)得到的金属基底表面制备出具有超亲水性的微纳米结构；
(3)含硅氧烷的不干胶作为掩膜，在其上加工出镂空图案；
(4)掩膜贴覆于超亲水金属基底表面上，与掩膜接触的超亲水金属基底表面被低表面能修饰，呈现超疏水性，镂空部分保持原有的超亲水，获得超亲水/超疏水润湿性图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，通过水浴加热覆盖有掩膜的金属基底。
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