CN107177047A - 一种柔性可控的液滴自驱动多级梯度结构的表面制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性可控的液滴自驱动多级梯度结构的表面制备方法，包括以下步骤：（1）制备涂覆液；（2）制备掩盖板；（3）制备具有柔性的多级梯度结构表面；（4）对柔性表面的调控。在柔性材料与屈曲结构相结合的基础上，涂覆液浸入硅模板上的孔凝固后形成的圆柱状结构，用这种方法制备具有柔性的多级结构梯度表面不仅制备方法简单高效，也实现了对液滴定向驱动的可能。并且由于是以柔性的VHB胶带为基底制备的多级结构，还可以通过对基底的拉伸来实现多级结构排列密度的变化，从而能够实现对液滴定向驱动速度的控制。所述的VHB胶带预拉伸应变量可以进行适当的变更，从而得到的屈曲褶皱幅度也会有相应的变化。

Description

一种柔性可控的液滴自驱动多级梯度结构的表面制备方法

技术领域

本发明属于材料表面改性领域，尤其涉及一种柔性可控的液滴自驱动多级梯度结构的表面制备方法。

背景技术

润湿性是固体表面的重要性质之一，它表征了液体在其表面上的浸润程度。固体表面的润湿性主要取决于表面自由能和表面微观结构，改变固体表面的自由能和粗糙度均可以改变其润湿性。而润湿性梯度表面是一种组分、结构和润湿性等随空间连续变化或者阶梯变化的高性能材料，在对液体的润湿性能发生梯度变化的材料表面上，液体的梯度方向受到的表面张力不相等，导致了液体存在由低表面能处向着高表面能处自动流动的趋势。所谓润湿性可控表面，是指在外界环境的刺激下接触角可以发生变化的材料表面。表面张力驱动是微流体器件中流体驱动的一种重要方式，其实现依赖于润湿性表面的可控性。目前调控固体表面润湿性的方法有很多，主要包括热化学法、电润湿法、电化学法、光化学法、PH法等等。

柔性材料具有能够随外力而变形的特点。柔性多级结构表面是以具有柔性特征的材料为基底，利用某种方法在基底表面上形成的多级结构表面。其中，多级结构是指两种或两种以上的结构在尺寸上存在较大差距，较小量级的结构在较大量级结构上形成的一种三维空间结构。在柔性多级结构的表面再建立起梯度结构，不仅使其继承了前者的特征，还对表面进行了修整，具有了不同表面区域之间性能产生了循序变化的特点。

但就目前而言，市场上没有一种简单而经济的方法在柔性基体上制造多级的梯度结构，针对这种现状，我们提出了一种柔性可控的液滴自驱动多级梯度结构表面的制备及其调控方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种柔性可控的液滴自驱动多级梯度结构的表面制备方法，针对目前现有技术中制备所存在的制备过程复杂、制作设备昂贵等缺点进行改进，提供一种操作简单、经济环保制备方法，极大降低了调控液滴驱动的成本。

为此采用如下的技术方案：一种柔性可控的液滴自驱动多级梯度结构的表面制备方法，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）制备掩盖板：取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板，利用三维绘图软件绘制出梯度结构排布图，所述梯度结构排布图是以直径为10μm、深40μm的单元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板长边为准，以第一个1mm的距离内单元孔间距为10μm，在第二个1mm的距离内单元孔间距增至20μm并以此类推；然后以绘制的梯度结构排布图为参照，对硅模板进行雕刻处理；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；然后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硅模板表面，具体旋涂方式的旋涂次数为1次，先以每分钟1500转的速率旋涂5s，再以每分钟8000转的速率旋涂20s，最后以每分钟1500转的速率旋涂5s，之后将旋涂有涂覆液的硅模板以温度为75℃干燥20min，从而在硅模板表面上形成涂覆液的薄膜；

步骤（3）制备具有柔性的多级梯度结构表面：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（2）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℃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屈曲与梯度相结合的多级结构；

步骤（4）对柔性表面的调控：对制得的柔性表面进行一定应变量的拉伸可以调控表面多级结构的疏密排布，从而得到的屈曲褶皱幅度也会有相应的变化；具体数值可以为50%、100%、200%，拉伸时材料表面多级结构舒展开，从而使得材料表面疏水性能增强；应变量越大，拉伸幅度越大，褶皱与多级结构越稀疏，材料表面越为疏水。

在柔性材料与屈曲结构相结合的基础上，涂覆液浸入硅模板上的孔凝固后形成的圆柱状结构，其直径为10μm，高为40μm。圆柱在模板上呈梯度排列，顺着模板长边1mm的距离内柱与柱的间距为10μm，而在下一个1mm的距离内柱与柱的间距增至为20μm并以此类推。用这种方法制备具有柔性的多级结构梯度表面不仅制备方法简单高效，也实现了对液滴定向驱动的可能。并且由于是以柔性的VHB胶带为基底制备的多级结构，还可以通过对基底的拉伸来实现多级结构排列密度的变化，从而能够实现对液滴定向驱动速度的控制。

步骤3）中所述的VHB胶带预拉伸应变量可以进行适当的变更，具体数值可以为50%、100%、200%，从而得到的屈曲褶皱幅度也会有相应的变化。应变量越大，屈曲褶皱越密集，幅度越大，材料表面越为疏水。

本发明的有益效果是：

1）将屈曲结构与柱状结构相结合，可以使材料表面的疏水性得到进一步的提升。

2）通过对圆柱状结构排列密度的调整，从而使材料表面具有梯度结构。这种梯度结构会使得材料表面不同的区域具有不同的润湿性能，圆柱较密集的区域比圆柱较稀疏的区域更加的亲水。

3）制备方法简单经济。

4）可以通过对柔性基底的拉伸来改变梯度结构的排布密度，改变材料表面的疏水性程度，使得液体在其表面的移动速率发生改变，从而来调控液滴在其表面的移动。

附图说明

图1为具有柔性的多级结构梯度表面的制备示意图，图中标号为：1为VHB胶带，2为涂覆液薄膜，3为硅模板，4为玻璃基底，5为屈曲与梯度相结合的多级结构。

图2为制得的材料表面圆柱状结构排列的电子扫描镜图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照附图。实施例1本实施例包括以下步骤：

步骤（1）制备涂覆液：5g聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂覆液的预聚物与0.5g交联剂混合搅拌均匀，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）制备掩盖板：取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板3，利用三维绘图软件绘制出梯度结构排布图，所述梯度结构排布图是以直径为10μm、深40μm的单元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板长边为准，以第一个1mm的距离内单元孔间距为10μm，在第二个1mm的距离内单元孔间距增至20μm并以此类推；然后以绘制的梯度结构排布图为参照，对硅模板进行雕刻处理；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；然后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硅模板表面，具体旋涂方式的旋涂次数为1次，先以每分钟1500转的速率旋涂5s，再以每分钟8000转的速率旋涂20s，最后以每分钟1500转的速率旋涂5s，之后将旋涂有涂覆液的硅模板以温度为75℃干燥20min，从而在硅模板3表面上形成涂覆液薄膜2；

步骤（3）制备具有柔性的多级梯度结构表面：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（2）制得的掩盖板旋涂有涂覆液薄膜2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屈曲与梯度相结合的多级结构5；

步骤（4）对柔性表面的调控：对制得的柔性表面进行一定应变量的拉伸可以调控表面多级结构的疏密排布，从而得到的屈曲褶皱幅度也会有相应的变化；具体数值可以为50%、100%、200%，拉伸时材料表面多级结构舒展开，从而使得材料表面疏水性能增强；应变量越大，拉伸幅度越大，褶皱与多级结构越稀疏，材料表面越为疏水。

本方法制备的具有柔性的多级结构梯度表面，材料表面上具有屈曲结构，且在屈曲结构上覆有具有梯度的圆柱结构，如图2所示，由于所使用的涂覆液为聚二甲基硅氧烷涂覆液，本身具有疏水性，液滴在其表面上呈球状，且沿梯度方向接触角逐渐减小，在不施加外力的情况下，液滴会向着圆柱梯度更加稀疏的方向移动。

实施例2 与实施例1的不同之处在于：实施例2的多级结构包括一级屈曲基底和二级圆柱状突起，所述的二级柱状突起在屈曲结构表面上呈现放射状均匀分布，圆柱体高40μm、宽10μm，在模板上呈梯度排列。圆柱顺着模板长边方向1mm的距离内柱与柱的间距为10μm，而在下一个1mm的距离内柱与柱的间距增至为20μm以此类推，如图2所示。这种多级复合结构可以改变不同相体的交界面、改变界面能、增加材料表面的疏水性，并且由于梯度结构的存在，使材料表面不同区域之间存在疏水性差异。由于运用的是柔性基底VHB胶带4，可以通过对VHB胶带进行不同程度的拉伸从而控制其表面多级结构的疏密排布，实现对材料疏水性的调控。在制备过程中，对VHB的预拉伸应变量越大，最后制得的表面多级结构排布越密集，疏水性能越弱；对制备完成后所得到的柔性基地进行拉伸，表面多级结构的排布与之前相比变得更加稀疏，从而使其疏水性能增强。

Claims (1)

1.一种柔性可控的液滴自驱动多级梯度结构的表面制备方法，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）制备掩盖板：取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板，利用三维绘图软件绘制出梯度结构排布图，所述梯度结构排布图是以直径为10μm、深40μm的单元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板长边为准，以第一个1mm的距离内单元孔间距为10μm，在第二个1mm的距离内单元孔间距增至20μm并以此类推；然后以绘制的梯度结构排布图为参照，对硅模板进行雕刻处理；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；然后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硅模板表面，具体旋涂方式的旋涂次数为1次，先以每分钟1500转的速率旋涂5s，再以每分钟8000转的速率旋涂20s，最后以每分钟1500转的速率旋涂5s，之后将旋涂有涂覆液的硅模板以温度为75℃干燥20min，从而在硅模板表面上形成涂覆液的薄膜；

步骤（3）制备具有柔性的多级梯度结构表面：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（2）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℃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屈曲与梯度相结合的多级结构；

步骤（4）对柔性表面的调控：对制得的柔性表面进行一定应变量的拉伸可以调控表面多级结构的疏密排布，从而得到的屈曲褶皱幅度也会有相应的变化；具体数值可以为50%、100%、200%，拉伸时材料表面多级结构舒展开，从而使得材料表面疏水性能增强；应变量越大，拉伸幅度越大，褶皱与多级结构越稀疏，材料表面越为疏水。