CN106944165A - 具有液体自驱动定向输运能力的功能界面及其方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有液体自驱动定向输运能力的功能界面，包括界面本体，所述界面本体的表面设置有沿液体输运方向布置的若干条超疏水区域和若干条超亲水区域，所述超疏水区域和所述超亲水区域之间交替排列；每一条所述超亲水区域的一端为封闭结构，另一端相互连通；其制造方法为：制备界面本体；对界面本体表面进行超疏水化处理；采用微加工工艺或亲水材料直接涂覆对超疏水化处理后的界面本体表面进行图案化处理，得到交替排列的超疏水区域和超亲水区域，并将超亲水区域的一端相互连通。本发明构筑方法简单、可靠，应用于含有液滴收集、传递以及新型材料界面系统的构建，以及以微小液滴或液流表面能为推动因子的液体收集、输运体系的构建。
Description
技术领域
本发明涉及功能材料及流体操控技术领域，特别涉及一种具有液体自驱动定向输运能力的功能界面及其制造方法与应用。
背景技术
伴随着界面科学的发展，设计合成多功能集成的流体操控界面是目前材料领域、以及特殊浸润材料领域的重要研究内容之一。对于水滴、水流以及雾气流等含水液体的收集、输运以及驱动等问题直接关系到功能界面的发展与应用，拥有巨大的科研以及应用的前景。微小液滴自身的表面能，有能力实现一类自驱动的液体收集过程。此过程中，表面能是液体输运的唯一能量来源，因此，其可以最大程度地实现无耗的液体输运，特别适合于室外等实际应用环境的液体定向收集及输运。
然而，目前所存在的液体收集体系多数基于单一材料，如海绵、滤纸等。液滴收集后，难以通过有效途径定向输运收集液体。利用外加驱动力可以解决液体定向输运问题，但外力的输入无形中造成了能量的再消耗，并且限制了液体定向收集界面的潜在功能与应用。因此，发展一种具有液体自驱动定向输运能力的功能界面，就可以用来解决优化这一难题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种具有液体自驱动定向输运能力的功能界面及其制造方法与应用。本发明受液滴在自发从超疏水表面迁移到超亲水表面的现象启发，利用小液滴与液膜之间自身的表面能作为驱动力，实现了自发定向的排水过程；本发明将超疏水刚性结构与超亲水毛细管结构有机整合到液滴收集体系中，通过调控设计超疏水/超亲水结构的尺寸、形状及排列等参数，成功实现了自驱动定向液体输运。
本发明所采用的技术方案是：一种具有液体自驱动定向输运能力的功能界面，包括界面本体，所述界面本体的表面设置有沿液体输运方向布置的若干条超疏水区域和若干条超亲水区域，所述超疏水区域和所述超亲水区域之间交替排列；每一条所述超亲水区域的一端为封闭结构，另一端相互连通使得液体向所述超亲水区域相互连通的一端自动输运。
所述超疏水区域和所述超亲水区域采用条形形状相互交替排列。
所述超疏水区域和所述超亲水区域采用窄三角形形状相互交错排列。
所述超疏水区域和所述超亲水区域的宽度均为50～1000微米。
一种基于上述具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：采用能加工、能改性的基底材料制备界面本体；
步骤二：对界面本体表面进行超疏水化处理；
步骤三：采用微加工工艺或亲水材料直接涂覆对超疏水化处理后的界面本体表面进行图案化处理，得到条形形状或窄三角形形状交替排列的超疏水区域和超亲水区域；
步骤四：采用微加工工艺或亲水材料直接涂覆使得超亲水区域的一端相互连通，完成具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制造。
步骤一中，所述的能加工、能改性的基底材料为金属、金属氧化物、塑料或纤维素的其中一种。
步骤三和步骤四中，所述微加工工艺为采用微加工平台或激光雕刻手段的其中一种。
一种基于上述具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制造方法，还可以为以下步骤：
步骤(1)：制备界面本体；
步骤(2)：采用超疏水材料和超亲水材料直接在界面本体的表面上按设计的图案涂覆，得到条形形状或窄三角形形状交替排列的超疏水区域和超亲水区域；
步骤(3)：采用超亲水材料将每条超亲水区域的一端连起，完成具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制造。
上述具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的应用为：所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面用于含有液滴收集、传递以及新型材料界面系统的构建。并且，所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面用于以微小液滴或液流表面能为推动因子的液体收集、输运体系的构建。
本发明的有益效果是：
本发明一种具有液体自驱动定向输运能力的功能界面，基于超浸润材料的仿生构筑，搭建多功能液体定向输运界面。通过研究超疏水/超亲水材料的微区形状、尺寸、排列等参数对液体定向输运性能的影响，进一步优化实验参数，获得最优化的自驱动定向排水界面。基于超疏水/超亲水协同作用，构建多功能、智能性的界面流体运输体系，并深入考察了输运速率、输运程度以及水分残留等参数。探索并证明该界面系统在流体操控、液体收集、新型界面材料等领域的应用潜力。
在使用本发明一种具有液体自驱动定向输运能力的功能界面进行液滴定向传输时，可利用毫米级尺寸微小液滴作为液体来源，也可以利用注射器直接将液流施加在此界面上，利用超疏水材料本身优异的表面能保存性质，定向驱动液滴向亲水区域进行运动，最终完全吸收、输运。由于拉普拉斯压的推动，超疏水表面上的液滴将快速的转移到亲水区域，并被吸收连续输运。通过对自驱动定向排水的功能界面测试得到，一个10微升的液滴可以在1秒钟之内被此界面快速吸收并输运，输运后的表面没有明显的水分残留，实现了高效快速的液体收集及输运。
本发明具有液体自驱动定向输运能力的功能界面制备成本低廉，原料易得，材料可选择性强，生产工艺简单，适合大规模制备，可以与多种液体操控体系相整合，并且可以应用于户外等实际环境。本发明对于液体收集及输运的作用明显，可以实现在无外力情况下的实现液体定向传输，实现了高效、快速、安全的液滴传输过程，为新型排水界面提供了应用实例。
附图说明
图1：本发明功能界面技术方案一结构示意图；
图2：本发明功能界面技术方案二结构示意图；
图3：本发明功能界面制造方法及设计方案示意图；
图4：本发明功能界面在应用过程中对液体的快速输运过程示意图。
附图标注：1、界面本体；2、超疏水区域；3、超亲水区域。
具体实施方式
通过学习自然界中对水滴有极强排斥作用的植物表面，其表面的水滴呈球形，说明其表面能被最大程度地保留。同时，以水生动植物表面对水分有极强亲和能力的界面材料可以最大程度地诱导液体表面能的释放。因此，将超疏水/超亲水材料进行有机整合，以超疏水界面为液体表面能释放的前端，以超亲水界面作为液体表面能释放和液体输运的途径，可以实现此类无外力下的液体自驱动输运。合理构筑亲/疏水界面特性，利用液滴表面能的释放来驱动液滴的定向输运过程，本发明制备出系列多功能液体自驱动定向输运界面，进而拓展超浸润整合材料的应用范围，为防水材料、流体操控、油水分离等研究方向提供新的思路与应用。
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如附图1和图2所示，一种具有液体自驱动定向输运能力的功能界面，包括界面本体1，所述界面本体1的表面设置有沿液体输运方向布置的若干条超疏水区域2和若干条超亲水区域3。所述超疏水区域2和所述超亲水区域3采用条形形状相互交替排列(技术方案一，如图1所示)，或采用窄三角形形状相互交错排列(技术方案二，如图2所示)；所述超疏水区域2和所述超亲水区域3的宽度B均为50～1000微米；优选地，本发明功能界面可采用宽度B在500微米，条形形状的超疏水区域2和超亲水区域3交替排列构成。并且，每一条所述超亲水区域3的一端为封闭结构，另一端相互连通使得液体向所述超亲水区域3相互连通的一端自动输运。其中，所述的超疏水为材料表面对水滴的接触角在150°以上，所述的超亲水为材料表面对水滴的接触角近乎为0°。
本发明中，所述超疏水区域2以能加工、能改性的基底材料经NaOH-(NH4)2S2O8碱腐蚀辅以疏水化处理得到，或直接由疏水二氧化硅及粘附材料涂敷得到。所述超亲水区域3以基底材料本体性质经过表面微纳结构化直接得到，或利用亲水二氧化硅及纤维素类材料涂敷得到。
本发明具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制造方法和技术方法，如图3所示：首先，采用金属(如铜、不锈钢)和金属氧化物(如氧化铝陶瓷)，以及非金属(塑料或纤维素类)等可加工可改性的基底材料制备界面本体1；其次，对界面本体1表面进行超疏水化处理；然后，采用微加工工艺(微加工平台或激光雕刻等手段)或亲水材料直接涂覆对超疏水化处理后的界面本体1表面进行图案化处理，得到条形形状或窄三角形形状交替排列的超疏水区域2和超亲水区域3，并且，使得超亲水区域3的一端相互连通使得液体向超亲水区域3相互连通的一端自动输运。
除上述制造方法外，本发明具有液体自驱动定向输运能力的功能界面还能采用下述制造方法：首先，制备界面本体1，所述界面本体1可采用任意材料制成；其次，采用超疏水材料和超亲水材料直接在界面本体1的表面上按设计的图案涂覆，得到条形形状或窄三角形形状交替排列的超疏水区域2和超亲水区域3；然后，采用超亲水材料将每条超亲水区域3的一端连接起来即可。
本发明具有液体自驱动定向输运能力的功能界面应用于含有液滴收集、传递以及新型材料界面系统的构建，以及用于以微小液滴或液流表面能为推动因子的液体收集、输运体系的构建。
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
利用疏水二氧化硅纳米粒子与聚甲基硅氧烷预聚物旋涂于商品化氧化铝陶瓷板(2mm厚)之上，将其在烘箱中80度加热1小时，得到超疏水氧化铝陶瓷片。将陶瓷片利用微加工平台(数控雕刻机)进行图案化打磨，制备得到具有200～1000微米的条状亲交替排列的超疏水区域2和超亲水区域3。因氧化铝陶瓷片本身具有较强亲水性，故无需进一步处理以得到超亲水材料。利用加湿器将雾化的液滴喷于本发明功能界面表面，可以观测到，超疏水表面上收集的小液滴将快速被周围超亲水通道定向输运，实现雾气的高效收集及快速输运。
实施例2
商品化的紫铜板(1mm厚)首先进行表面抛光及乙醇超声清洗。利用1M盐酸浸泡紫铜板，取出洗净后，利用1M氢氧化钠与0.13M过硫酸铵浸泡铜网5～10分钟，洗净晾干。进而利用1～5mmol/L十二烷基硫醇的乙醇溶液浸泡2～12小时后，以乙醇冲洗干净，改造后得到超疏水铜片。利用激光雕刻机在超疏水铜片上雕刻烧结出50～500微米的条形或三角形超亲水区域3，得到具有超疏水区域2和超亲水区域3的界面。疏水化的铜基底在激光的抛光之后，其表面有机分子被降解，使得氧化铜本征亲水性得以体现。利用微量进样器将2～10微升的小液滴施加在本发明功能界面表面，可以发现，超疏水区域2表面的液滴逐渐被超亲水区域3输运，其表面水滴体积将逐渐减小，证明其液体定向输运能力。
Claims (10)
1.一种具有液体自驱动定向输运能力的功能界面，包括界面本体，其特征在于，所述界面本体的表面设置有沿液体输运方向布置的若干条超疏水区域和若干条超亲水区域，所述超疏水区域和所述超亲水区域之间交替排列；每一条所述超亲水区域的一端为封闭结构，另一端相互连通使得液体向所述超亲水区域相互连通的一端自动输运。
2.根据权利要求1所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面，其特征在于，所述超疏水区域和所述超亲水区域采用条形形状相互交替排列。
3.根据权利要求1所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面，其特征在于，所述超疏水区域和所述超亲水区域采用窄三角形形状相互交错排列。
4.根据权利要求1所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面，其特征在于，所述超疏水区域和所述超亲水区域的宽度均为50～1000微米。
5.一种基于上述权利要求1-4任意一项所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采用能加工、能改性的基底材料制备界面本体；
步骤二：对界面本体表面进行超疏水化处理；
步骤三：采用微加工工艺或亲水材料直接涂覆对超疏水化处理后的界面本体表面进行图案化处理，得到条形形状或窄三角形形状交替排列的超疏水区域和超亲水区域；
步骤四：采用微加工工艺或亲水材料直接涂覆使得超亲水区域的一端相互连通，完成具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制造。
6.根据权利要求5所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制备方案，其特征在于，步骤一中，所述的能加工、能改性的基底材料为金属、金属氧化物、塑料或纤维素的其中一种。
7.根据权利要求5所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制备方案，其特征在于，步骤三和步骤四中，所述微加工工艺为采用微加工平台或激光雕刻手段的其中一种。
8.一种基于上述权利要求1-4任意一项所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：制备界面本体；
步骤(2)：采用超疏水材料和超亲水材料直接在界面本体的表面上按设计的图案涂覆，得到条形形状或窄三角形形状交替排列的超疏水区域和超亲水区域；
步骤(3)：采用超亲水材料将每条超亲水区域的一端连起，完成具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的制造。
9.一种基于上述权利要求1-4任意一项所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的应用，其特征在于，所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面用于含有液滴收集、传递以及新型材料界面系统的构建。
10.根据权利要求9所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面的应用，其特征在于，所述的具有液体自驱动定向输运能力的功能界面用于以微小液滴或液流表面能为推动因子的液体收集、输运体系的构建。
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