CN107151337A - 一种液体润湿性能可控的表面制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体润湿性能可控的表面制备方法，包括以下步骤：步骤（1）制备聚二甲基硅氧烷的涂覆液；步骤（2）制备掩模板；（3）旋涂涂覆液；步骤（4）制备柔性波状结构；步骤（5）润湿性能的调控。可以通过简单的力学控制实现润湿性能的控制，既可在步骤（4）中控制基底VHB的拉伸应变量控制波形表面的幅值和频率，也可对波形表面进行原位拉伸调控实现润湿性能的改变。

Description

一种液体润湿性能可控的表面制备方法

技术领域

本发明属于材料表面改性领域，尤其涉及一种液体润湿性能可控的表面制备方法。

背景技术

润湿性能是固体表面的固有性质之一，主要与固体表面化学性质和表面微观几何结构两个因素相关，其对材料在液体传输、雾气收集、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。现有技术下，使润湿特性发生可逆转变的外部条件主要包括力学方法、光学方法、电场方法、热和化学方法等。

如雷胜教授等人在中国科学材料（SCIENCE CHINA Materials）第59卷第5期上发表的题为“银表面超疏水性与超亲水性的可逆转变研究”（Reversible wettabilitybetween superhydrophobicity and superhydrophilicity of Ag surface）的论文，文中记载了通过重复紫外光照射和热处理过程, 镀银表面可以实现超疏水和超亲水之间的多次转换；钟敏霖教授等人在ELSEVIER胶体与界面科学（Journal of Colloid andInterface Science）发表的题为“超亲水性对皮秒激光微结构铝在环境空气中的超疏水性转变”（Superhydrophilicity to superhydrophobicity transition of picosecondlaser microstructured aluminum in ambient air）的论文，文中探索了皮秒激光微结构铝表面从超亲水性质的过渡到超疏水性在环境条件下的机制；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 BetweenSuperhydrophilicity 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，而且不能同时具备多种调控方式，不太适用于微流体系统以后润湿性的研究与调节。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种液体润湿性能可控的表面制备方法，进而实现表面润湿性能的调控，并且其制备简单，操作方便，易于加工，成本低廉。

为此采用如下的技术方案：

一种液体润湿性能可控的表面制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤（1）制备涂覆液：将聚二甲基硅氧烷的预聚物与交联剂以质量为10:1的比例混合搅拌均匀，之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的气泡，制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液；

步骤（2）制备掩模板：取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板，利用三维绘图软件绘制出凹槽结构的排布图，所述凹槽结构的排布图是在模板正面以单元凹槽阵列，单元凹槽宽为10µm、深为40µm，凹槽间间距为10µm，；然后以绘制的凹槽结构的排布图为参照，对硅模板进行加工处理；选用的基底为玻璃基底，并对其进行预清洗，即将玻璃基底依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声10~20min，超声频率为50~100Hz，之后用水洗净并进行干燥处理；

步骤（3）旋涂涂覆液：将处理好的硅模板紧密贴合在预清洗后的玻璃基底表面上；将步骤（1）制备的涂覆液通过旋涂的方式均匀覆盖在掩模板表面，具体旋涂方式的旋涂次数为1次，所用旋涂机主轴转速为8000rad/min，旋涂时长为20s，之后将旋涂有涂覆液的模板以温度为75℃干燥20min，从而在掩模板表面上形成涂覆液的薄膜；

步骤（4）制备柔性波状结构：准备厚度为1mm、宽为25mm的VHB胶带，先将VHB胶带拉伸，并维持50%的应变量，然后将步骤（3）制得的掩盖板旋涂有涂覆液薄膜的一面与拉伸后的VHB胶带紧密贴合，在温度为80℃-90℃的烘箱中处理2个小时；之后将玻璃基底与硅模板揭下，复制了硅模板梯度结构的涂覆液薄膜便与VHB胶带紧密贴合；最后释放对VHB胶带的拉力，紧贴在VHB胶带表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收缩力在其表面上产生波状微表面结构；

步骤（5）润湿性能的调控：润湿性能的调控分为两种，一是在步骤（4）中控制VHB胶带拉伸的应变量，从而控制柔性基底波形的幅值和频率，进而控制液滴接触状态控制润湿性能；二是对于形成的柔性波形多级微结构再次拉伸，控制液滴润湿性能。

根据本发明所述的制备方法制备的液体润湿性能可控的表面，其特征在于：可以通过简单的力学控制实现润湿性能的控制，既可在步骤（4）中控制基底VHB的拉伸应变量控制波形表面的幅值和频率，也可对波形表面进行原位拉伸调控实现润湿性能的改变。

本发明的有益效果是：

1）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；

2）实验方案易于实现，并可进行加工调控和原位调控两种调控，适用于实验研究和现实生产控制；

3）在微流体研究中，可实现液滴Wenzel状态和Cassie-Baxter状态的转换，这对于液滴状态的控制至关重要。

附图说明

图1为液体润湿性能可控表面的制备方法示意图，其中标号为：1-VHB胶带，2-涂覆液的薄膜，3-掩模板，4-玻璃基底，5-柔性波形多级微结构。

图2为不同应变量下（制备）液滴润湿状态图，其中：Y轴为液滴在波形表面的接触角；X轴是VHB的应变量；θ0为液滴在此材料的本征接触角；W、CB是液滴在微结构表面的两种润湿状态形式，W是指Wenzel润湿状态，CB是指Cassie-Baxter润湿状态，W-CB指液滴在二级与一级微结构上分别处于Wenzel状态、Cassie-Baxter状态；W-W指液滴在二级与一级微结构上均处于Wenzel状态；CB-CB指液滴在二级与一级微结构上均别处于Cassie-Baxter状态；CB-W指液滴在二级与一级微结构上分别处于Cassie-Baxter状态、Wenzel状态。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照附图。本实施例包括以下步骤：步骤（1）制备涂覆液：将聚二甲基硅氧烷的预聚物与交联剂以质量为10:1的比例混合搅拌均匀，之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的气泡，制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液；

步骤（2）制备掩模板：取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板，利用三维绘图软件绘制出凹槽结构的排布图，所述凹槽结构的排布图是在模板正面以单元凹槽阵列，单元凹槽宽为10µm、深为40µm，凹槽间间距为10µm，；然后以绘制的凹槽结构的排布图为参照，对硅模板进行加工处理；选用的基底为玻璃基底4，并对其进行预清洗，即将玻璃基底依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声10~20min，超声频率为50~100Hz，之后用水洗净并进行干燥处理；

步骤（3）旋涂涂覆液：将处理好的硅模板紧密贴合在预清洗后的玻璃基底表面上；将步骤（1）制备的涂覆液通过旋涂的方式均匀覆盖在掩模板3表面，具体旋涂方式的旋涂次数为1次，所用旋涂机主轴转速为8000rad/min，旋涂时长为20s，之后将旋涂有涂覆液的掩模板3以温度为75℃干燥20min，从而在硅模板表面上形成涂覆液的薄膜2；

步骤（4）制备柔性波状结构：准备厚度为1mm、宽为25mm的VHB胶带1，先将VHB胶带拉伸，并维持50%的应变量，然后将步骤（3）制得的掩模板3旋涂有涂覆液薄膜的一面与拉伸后的VHB胶带紧密贴合，在温度为80℃的烘箱中处理2个小时；之后将玻璃基底与掩模板3揭下，复制了掩模板3梯度结构的涂覆液薄膜便与VHB胶带紧密贴合；最后释放对VHB胶带的拉力，紧贴在VHB胶带表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收缩力在其表面上产生柔性波形多级微结构5；

步骤（5）润湿性能的调控：润湿性能的调控分为两种，一是在步骤（4）中控制VHB胶带拉伸的应变量，从而控制柔性基底波形的幅值和频率，进而控制液滴接触状态控制润湿性能，多级微结构本征接触角的变化范围约为136°至170°，一级微结构本征接触角的范围约为124°至162°并且均可实现Wenzel状态和Cassie-Baxter润湿状态的过度转换；二是对于形成的柔性波形多级微结构再次拉伸，控制液滴润湿性能。对于两种调控，都可控制拉伸应变量（如30%、50%、70%或者更加详细）采集研究液滴接触角即存在状态，建立与应变量相对应的数据并进行研究与运用。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构想的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种液体润湿性能可控的表面制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤（1）制备涂覆液：将聚二甲基硅氧烷的预聚物与交联剂以质量为10:1的比例混合搅拌均匀，之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的气泡，制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液；

步骤（2）制备掩模板：取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板，利用三维绘图软件绘制出凹槽结构的排布图，所述凹槽结构的排布图是在模板正面以单元凹槽阵列，单元凹槽宽为10µm、深为40µm，凹槽间间距为10µm，；然后以绘制的凹槽结构的排布图为参照，对硅模板进行加工处理；选用的基底为玻璃基底，并对其进行预清洗，即将玻璃基底依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声10~20min，超声频率为50~100Hz，之后用水洗净并进行干燥处理；

步骤（3）旋涂涂覆液：将处理好的硅模板紧密贴合在预清洗后的玻璃基底表面上；将步骤（1）制备的涂覆液通过旋涂的方式均匀覆盖在掩模板表面，具体旋涂方式的旋涂次数为1次，所用旋涂机主轴转速为8000rad/min，旋涂时长为20s，之后将旋涂有涂覆液的模板以温度为75℃干燥20min，从而在掩模板表面上形成涂覆液的薄膜；

步骤（4）制备柔性波状结构：准备厚度为1mm、宽为25mm的VHB胶带，先将VHB胶带拉伸，并维持50%的应变量，然后将步骤（3）制得的掩盖板旋涂有涂覆液薄膜的一面与拉伸后的VHB胶带紧密贴合，在温度为80℃-90℃的烘箱中处理2个小时；之后将玻璃基底与硅模板揭下，复制了硅模板梯度结构的涂覆液薄膜便与VHB胶带紧密贴合；最后释放对VHB胶带的拉力，紧贴在VHB胶带表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收缩力在其表面上产生波状微表面结构；

步骤（5）润湿性能的调控：润湿性能的调控分为两种，一是在步骤（4）中控制VHB胶带拉伸的应变量，从而控制柔性基底波形的幅值和频率，进而控制液滴接触状态控制润湿性能；二是对于形成的柔性波形多级微结构再次拉伸，控制液滴润湿性能。