CN106432767B - 一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法 - Google Patents

一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法，属于界面物理化学领域。本发明通过将纳米颗粒与聚二甲基硅氧烷及固化剂混合，并加热固化，得到纳米颗粒与聚二甲基硅氧烷复合材料；将所述的复合材料浸泡到润滑液中溶胀，得到光热自润滑油凝胶。本发明制备的光热自润滑油凝胶，其表面对不同表面张力液滴的接触角滞后和滑动角均小于5°；可实现对近红外激光的快速响应，在材料表面形成大的局部温度梯度场，进而可实现液滴在材料表面驱动的远程、精确控制；通过调节近红外激光的照射点位和方向，液滴可实现沿设定的复杂轨迹移动，或者在倾斜表面克服重力向上爬升。

Description

一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于界面物理化学技术领域，具体来说，是指一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法。
背景技术
传统开放体系下液滴的驱动大多需要在材料表面构建精细的微纳米结构(或电极阵列)和大的浸润性梯度以克服其阻碍。低表面张力的液滴在克服其阻碍的过程中往往更容易失效。高的制备成本和经化学修饰的材料表面的污染，极大的限制了这些材料的应用。此外，远程精确驱动一直都是这一领域的巨大挑战。光热自润滑油凝胶表面有效地解决了传统开放体系下可用于液滴驱动的材料表面存在的弊端。
接触角滞后和接触线固定通常会阻碍液滴的运动。接触角是液滴在水平材料表面呈现出的角度，主要用来说明材料表面疏水性；接触角滞后是液滴在材料表面前进角与后退角的差值，主要用来说明液滴在材料表面运动的阻力特征；滑动角是通过倾斜材料表面得到的直接测量值。接触角滞后和滑动角是材料表面动态疏水性的表征。接触角滞后和滑动角越小，说明液滴在材料表面所受的粘滞力越小。
发明内容
本发明提供一种通过液体溶胀光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料制备可用于材料表面液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶表面的方法。传统的用于开放体系下液滴，其驱动的材料表面不能实现对于不同表面张力液滴的远程精确驱动，同时还有成本高且材料易污染等问题，因此本发明为实现液滴驱动提供了更好的材料。
本发明通过将光热纳米颗粒与聚二甲基硅氧烷及固化剂混合、加热实现材料固化，将固化后的复合材料浸泡到润滑液中溶胀，得到光热自润滑油凝胶表面。
本发明制备的光热自润滑油凝胶表面对不同表面张力液滴的接触角滞后和滑动角均小于5°，说明外来液滴在光热自润滑油凝胶表面所受粘滞力小，可实现对近红外激光的快速响应，在光热自润滑油凝胶表面形成大的局部温度梯度场，进而可实现液滴在光热自润滑油凝胶表面驱动的远程精确驱动。通过调节近红外激光的照射点位置和方向，液滴可实现以大于587μms-1的平均速度沿设定的复杂轨迹移动，或者在倾斜表面克服重力向上爬升。本方法对实验条件要求低，且具有优异的液滴远程精确驱动的性能。
本发明的优点在于：
1、本发明提供的制备方法，操作简单、制作成本低、制备周期短，可以实现大规模生产。
2、本发明制备的光热自润滑油凝胶表面对于近红外激光激发能够迅速响应。
3、本发明制备的光热自润滑油凝胶表面对于用于液滴驱动所需的近红外激光的功率要求低。
4、本发明制备的光热自润滑油凝胶表面对于不同表面张力的液滴的接触角滞后和滑动角均小于5°。
5、本发明制备的光热自润滑油凝胶表面能够实现液滴驱动方向、速度、距离的可逆驱动。
6、本发明制备的光热自润滑油凝胶表面可适应于不同表面张力液滴的驱动。
7、本发明制备的光热自润滑油凝胶表面能够抵抗外来液滴的污染，易于清洗，可重复使用。
8、本发明制备的光热自润滑油凝胶表面对于开放或全封闭体系中的液滴均能实现优异的驱动效果。
附图说明
图1为纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面的制备示意图；
图2为液滴在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面驱动的机理图；
图3-1为水滴分别在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面和聚二甲基硅氧烷表面的接触角、滑动角和接触角滞后图；
图3-2为近红外激光照射下纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面和聚二甲基硅氧烷表面的温度变化；
图4为经近红外激光照射5s时纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面沿温度检测线的温度和温度梯度图；
图5-1为水滴在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面驱动照片；
图5-2为丙三醇在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面驱动照片；
图5-3为酒精在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面驱动照片；
图5-4为水滴在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面短距离往返运动图片；
图5-5为水滴在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面沿预设轨迹运动的叠加图片；
图5-6为水滴在倾斜10°的纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面克服重力向上爬升图片；
图6为水滴在纳米四氧化三铁/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面驱动照片；
图7为水滴在石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面驱动照片；
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供一种通过液体溶胀光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷复合材料制备可用于材料表面液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶表面的方法，图1为光热自润滑油凝胶(PTSG)表面的制备示意图，具体包括以下几个步骤：
第一步，光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液配置：
先将光热纳米填料置于真空干燥箱进行真空干燥，然后将真空干燥后的光热纳米填料、聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体及硅烷偶联剂(即固化剂)按一定质量比混合，高速机械搅拌，得到光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液。(本实验所用的PDMS为道康宁SYLGARD184)。所述的光热纳米填料可为纳米石墨片、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、纳米四氧化三铁、金纳米棒、硫化铜(CuS)、聚吡咯、多巴胺等具有光热转换效应的纳米颗粒中的一种。
所述真空干燥条件为：温度为80℃，时间为12h。
所述的PDMS预聚体及其固化剂的质量比为：10：1。
所述光热纳米填料在所述的混合液中的质量分数为：1％～10％。
所述机械搅拌条件为：2200～3000rpm，搅拌时间为5～10min。
第二步，光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液固化：
将第一步充分混合后的光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液倒入模具中，并置于真空干燥箱内真空脱泡。然后将真空脱泡后的光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液置于烘箱内加热固化，得到光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷复合材料。
所述真空脱泡的条件为：温度为室温；时间为30～60min；真空度为-0.08MPa。
所述加热固化的条件为：温度为70℃，时间为4～8h。
第三步，通过润滑液溶胀固化后的光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷复合材料：
将第二步固化后的光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷复合材料浸没在润滑液中溶胀，溶胀后所述复合材料表面多余的润滑液可借助重力、旋涂机或氮气气流法去除，制得光热自润滑油凝胶表面。
所述的润滑液为硅油、全氟聚醚(PFPE)、全氟辛烷(PO)、全氟三戊胺或FC-770氟化液中的一种。
所述溶胀的溶胀条件为：温度为室温；时间为8～48h。
上述方法制备得到的光热自润滑油凝胶表面对不同表面张力液滴的接触角滞后和滑动角均小于5°；可实现对近红外激光的快速响应，在所述的光热自润滑油凝胶表面形成大的局部温度梯度场，即经近红外激光照射5s时纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面，在照射点的中心6mm范围内的平均温度梯度可以达到11.348℃·mm-1，进而可实现液滴在光热自润滑油凝胶表面驱动的远程精确驱动；通过调节光热自润滑油凝胶表面近红外激光光斑的位置和移动方向，液滴可实现沿设定的复杂轨迹移动，或在倾斜表面克服重力向上爬升。所述的光斑指的是激光照射在材料表面时形成的斑点。本方法对实验条件要求低，且具有优异的液滴远程精确驱动性能。
下面给出具体实施例。
实施例1
纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面的制备，具体步骤为：
第一步，纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷混合液配置：
先将纳米石墨片置于真空干燥箱中80℃真空干燥12h，然后将0.579克纳米石墨片与聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体及其固化剂硅烷偶联剂按质量比为0.579:10:1的比例混合，2200rpm高速机械搅拌5min，得到纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷混合液。
第二步，纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷混合液固化：
将第一步充分混合后的纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷混合液倒入模具中，并置于真空干燥箱内室温下脱泡30min；然后将脱泡后的纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷混合液置于烘箱内70℃固化4h。
第三步，通过润滑液溶胀固化后的纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合材料：
室温下，将固化后的纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合材料浸没在粘度为5cSt的二甲基硅油中溶胀24h，溶胀后材料表面多余的润滑液通过将样品表面垂直地面放置15min，借助重力去除，从而制得光热自润滑油凝胶表面。
图2为液滴(油滴)在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面驱动的机理图，图中γ表示液滴(油滴)的表面张力。纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶在近红外光的照射下会迅速在其表面形成一个局部温度梯度场，该温度梯度会使邻近的液滴温度逐渐产生变化，液滴靠近温度梯度场中心的一侧温度高，远离温度梯度场中心一侧的温度低，因而会在液滴表面形成表面张力梯度，在液滴内部会形成马兰戈尼(Marangoni)流，这一现象也称为热毛细现象。由于纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面接触角滞后很小，液滴在材料表面运动时所受的粘滞力很小，因而液滴能够在热毛细力的作用下向温度低的一侧运动。
利用接触角测量仪器对水滴在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面和固态聚二甲基硅氧烷表面的接触角、滑动角和接触角滞后进行测量，结果见图3-1可知，纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面的水滴接触角达到109°，较于固态聚二甲基硅氧烷表面略有增大；滑动角和接触角滞后均小于5°，较于固态聚二甲基硅氧烷表面有显著降低，说明水滴在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面运动时所受粘滞力小，为光热自润滑油凝胶表面液滴的运动提供有利条件。
利用红外摄像机对纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面和固态聚二甲基硅氧烷表面在近红外激光(808nm，300mW)照射下的温度变化进行测量，得到材料表面的温度变化红外图像(图3-2)，可见右侧的纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面在近红外激光的照射下能够迅速实现的光热转化，1s内即可在材料表面形成局部温度梯度场，实现快速响应；而左侧的未掺杂光热纳米颗粒的固态聚二甲基硅氧烷表面在相同近红外激光照射下表面温度未发生明显变化。图4为经近红外激光照射5s时纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面沿温度检测线的温度和温度梯度图，由图4可见，在照射点的中心6mm范围内的最大温度梯度可达41.515℃·mm-1，平均温度梯度可以达到11.348℃·mm-1。
图5-1、图5-2、图5-3分别为水滴(表面张力γ＝72.7mNm-1)、丙三醇(表面张力γ＝63.3mNm-1)和酒精(表面张力γ＝22.3mNm-1)在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面的近红外激光驱动叠加照片，由图5-1可见，10μL水滴经过20s的近红外激光驱动，在光热自润滑油凝胶表面运动了11.74mm，平均运动速度为587μms-1；由图5-2可见，10μL丙三醇液滴经过24s的近红外激光驱动，在光热自润滑油凝胶表面运动了24.93mm，平均运动速度为1039μms-1；由图5-3可见，2μL酒精液滴经过20s的近红外激光驱动，在PTSG表面运动了19.91mm，平均运动速度为996μms-1。由此可以证实光热自润滑油凝胶表面可实现不同表面张力液滴的快速驱动。对于不同液滴的驱动的平均运动速度大于587μms-1。
由于纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面能够实现对近红外激光的即时响应，因此在该材料表面能够实现液滴不同的运动形式。如图5-4所示，水滴在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面近红外激光驱动下，可以实现短距离往返运动。如图5-5所示，水滴在纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面近红外激光驱动下，水滴可以沿预设复杂轨迹运动。
由于纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面在近红外激光的照射下可在极小范围内可形成大的温度梯度，因而可以为液滴驱动提供强大的驱动力。如图5-6所示，在较水平面向上倾斜10°的纳米石墨片/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面，5μL的水滴在重力的作用下向下滑动，而10μL的水滴在近红外激光的推动下可以克服重力向上爬升。12s时，两个液滴融合，此时停止近红外激光照射，融合后的液滴在重力作用下沿材料表面向下滑动。
实施例2
纳米四氧化三铁/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面的制备，具体步骤为：
第一步，纳米四氧化三铁/聚二甲基硅氧烷混合液配置：
先将油酸修饰的纳米四氧化三铁酒精分散液冷冻干燥24h获得冻干粉，然后将0.579克纳米四氧化三铁与聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体及其固化剂按质量比为0.579:10:1的比例混合，3000rpm高速机械搅拌10min，得到纳米四氧化三铁/聚二甲基硅氧烷混合液。
第二步，纳米四氧化三铁/聚二甲基硅氧烷混合液固化：
将第一步充分混合后的纳米四氧化三铁/聚二甲基硅氧烷混合液倒入模具中，并置于真空干燥箱内常温下脱泡1h。然后将脱泡后的纳米四氧化三铁/聚二甲基硅氧烷混合液置于烘箱内70℃固化8h。
第三步，通过润滑液溶胀固化后的纳米四氧化三铁/聚二甲基硅氧烷复合材料：
室温下，将固化后的纳米四氧化三铁/聚二甲基硅氧烷复合材料浸没在黏度为5cSt的二甲基硅油中溶胀8h，溶胀后的材料表面多余的润滑液通过氮气气流去除，从而制得光热自润滑油凝胶表面。
图6为水滴(表面张力γ＝72.7mNm-1)在纳米四氧化三铁/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面的近红外激光驱动叠加照片，由图6可见，5μL水滴经过20s的近红外激光驱动，在光热自润滑油凝胶表面运动了12.60mm，平均运动速度为630μms-1。
实施例3
石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面的制备，具体步骤为：
第一步，石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合液配置：
先将石墨烯置于真空干燥箱中80℃真空干燥12h，然后将0.579克石墨烯与聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体及其固化剂按质量比为0.579:10:1的比例混合，2200rpm高速机械搅拌5min，制备得到石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合液固化。
第二步，石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合液固化：
将充分混合后的石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合液倒入模具中，并置于真空干燥箱内常温下真空脱泡1h。而后将脱泡后的石墨烯/聚二甲基硅氧烷混合液置于烘箱内70℃固化8h。
第三步，通过润滑液溶胀固化后的石墨烯/聚二甲基硅氧烷光热复合材料：
将固化后的石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合材料浸没在黏度为5Cst的二甲基硅油中溶胀48h，溶胀后材料表面多余的润滑液通过将样品表面垂直地面放置15min，借助重力去除，从而制得光热自润滑油凝胶表面。
图7为水滴(表面张力γ＝72.7mNm-1)在石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合光热自润滑油凝胶表面的近红外激光驱动叠加照片，由图7可见，10μL水滴经过20s的近红外激光驱动，在光热自润滑油凝胶表面运动了12.05mm，平均运动速度为603μms-1。

Claims (9)

1.一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法，其特征在于：通过将光热纳米填料与预聚体及其硅烷偶联剂混合、加热实现材料固化，将固化后的复合材料浸泡到润滑液中溶胀，得到光热自润滑油凝胶表面，具体步骤如下：
第一步，光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液配置：
先将光热纳米填料真空干燥，然后将光热纳米填料、聚二甲基硅氧烷PDMS预聚体及其硅烷偶联剂混合并机械搅拌，得到光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液；
第二步，光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液固化：
将第一步充分混合后的光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液倒入模具中，并置于真空干燥箱内真空脱泡；然后将脱泡后的光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液置于烘箱内加热固化，得到光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷复合材料；
第三步，通过润滑液溶胀所述的光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷复合材料：
将所述的光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷复合材料浸没在润滑液中溶胀，溶胀后材料表面多余的润滑液借助重力、旋涂机或氮气气流法去除，制得光热自润滑油凝胶表面。
2.根据权利要求1所述的一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法，其特征在于：第一步所述的光热纳米填料为纳米石墨片、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、纳米四氧化三铁、金纳米棒、硫化铜、聚吡咯或多巴胺纳米颗粒中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法，其特征在于：第一步所述的真空干燥条件为：温度为80℃，时间为12h；所述的聚二甲基硅氧烷PDMS预聚体及其硅烷偶联剂的质量比为10：1；所述光热纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷混合液中，光热纳米填料的质量分数为：1％～10％；所述机械搅拌条件为：2200～3000rpm，搅拌时间为5～10min。
4.根据权利要求1所述的一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法，其特征在于：第二步中所述真空脱泡的条件为：温度为室温，时间为30～60min，真空度为-0.08MPa；所述加热固化的条件为：温度为70℃，时间为4～8h。
5.根据权利要求1所述的一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法，其特征在于：第三步中所述的润滑液为硅油、全氟聚醚PFPE、全氟辛烷PO、全氟三戊胺或FC-770氟化液中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法，其特征在于：第三步中所述溶胀的溶胀条件为：温度为室温，时间为8～48h。
7.一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶表面，其特征在于：采用权利要求1～6中任意一种方法制备得到；所述的光热自润滑凝胶表面实现对近红外激光的1s内快速响应；所述的光热自润滑凝胶表面对不同表面张力液滴的接触角滞后和滑动角均小于5°。
8.根据权利要求7所述的一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶表面，其特征在于：通过调节近红外激光的照射点位置和方向，液滴在所述的光热自润滑凝胶表面移动速度大于587μms-1。
9.根据权利要求7所述的一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶表面，其特征在于：所述的液滴在光热自润滑油凝胶表面的移动包括沿预设轨迹运动和在倾斜表面克服重力向上爬升。
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