CN107881542A - 梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，属于界面化学技术领域。本发明利用气泡模板法和梯度阴极沉积方法相结合的处理技术，以仿蜘蛛丝纺锤节表面高湿环境中特殊浸润性质为理论基础，创新地利用一步法在浸润性梯度锥形铜表面上引入一个纳米结构差异性梯度，解决了浸润性梯度表面在低温高湿环境中失效的技术问题，实现了铜表面低温高湿环境下液滴可控驱动的提高。本发明可用于不同金属材料基底，操作简单，周期短，成本低，可用于大规模生产。

Description

梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法

技术领域

本发明属于界面化学和液滴驱动技术领域，具体涉及一种梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法。

背景技术

由于液滴驱动在人工冷凝器、集水、微流体等领域中的广泛应用，液滴驱动受到越来越多的关注。在微观领域，表面张力成为了一个重要的实现液滴自驱动的动力，然而在低温高湿环境下，由于表面结构被液膜覆盖，浸润性梯度力会失去其功效，现存的能在低温高湿环境下进行液滴驱动的功能性表面不仅需要添加外部振动力，制备方法也特别复杂，因此如何用简单的方法在低温高湿的环境下进行液滴驱动成为了一个难题。

发明内容

本发明通过对在湿度环境中具有特殊浸润性的蜘蛛丝的研究和模仿，制备出梯度多孔微纳米结构表面，为液滴驱动表面设计提供了新的思路。本发明通过利用铜表面本身固有的浸润性和导电性，结合气泡模板与梯度阴极沉积处理技术，以仿蜘蛛丝在湿度环境中特殊浸润性性质为理论基础，制备出了同时具有浸润性梯度、曲率梯度的多孔铜表面，同时创新地利用一步法在浸润性梯度锥形铜表面上引入一个纳米结构差异性梯度，解决了浸润性梯度表面在低温高湿环境中失效的技术问题，实现了铜表面低温高湿环境下液滴可控驱动的提高；并且本发明制备方法简单，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。

本发明提供一种梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，包括如下步骤：

第一步，电解液的制备。

第二步，铜丝表面预处理。

第三步，梯度阴极沉积法制备梯度多孔微纳米结构表面。

以铜丝为阴极，环形铜片为阳极，逐渐降低电解液的液面高度，初始电流值为2.82A，设置液体流速为11.78×10^-5L/h；直到液面降低都铜丝底部以下，停止沉积，得到具有梯度多孔微纳米结构表面的铜丝。

所述铜丝在电解液中的部分，从顶部到底部，直径逐渐增加，铜丝表面具有微米级孔洞直径逐渐增多，孔洞内有纳米针结构，所述的纳米针结构从顶部到底部逐渐增多。并且在最终制备的铜丝中间到底部的位置有二价铜的化合物氧化铜出现。

在2cm长的铜丝上，水滴在铜丝上的接触角逐渐从70.3°递减至0°。在空气湿度100％，温度从5℃到-5℃的条件下，液滴沿着铜丝表面的梯度方向的运动距离可以从1.5mm增加至 7mm，表现出低温高湿条件下的较长传输距离。

本发明的优点在于：

1、本发明通过利用铜表面本身固有的浸润性和导电性，结合气泡模板与梯度阴极沉积处理技术，以仿蜘蛛丝在湿度环境中特殊浸润性性质为理论基础，制备出了同时具有浸润性梯度和曲率梯度的多孔铜表面，同时创新地利用一步法在浸润性梯度锥形铜表面上引入一个纳米结构差异性梯度，解决了浸润性梯度表面在低温高湿环境中失效的技术问题，实现了铜表面低温高湿环境下液滴可控驱动的提高。

2、本发明制备的梯度多孔微纳米结构铜丝表面，有效的解决了低温高湿下液滴驱动距离控制的问题，利用梯度阴极沉积处理技术在铜表面引入了一个单向的浸润性梯度力，伴随着曲率梯度力及纳米结构差异性梯度产生的小液滴合并力，解决了低温高湿环境中液滴驱动距离控制的技术问题，进一步实现了铜丝表面可控液滴驱动的提高。

3、本发明使用的气泡模板法与梯度阴极沉积处理相结合的技术，可通过简单的调控电解质溶液的浓度及加入修饰剂来控制铜表面孔结构及形貌，从而实现液滴驱动的调节。

4、本发明使用的气泡模板法与梯度阴极沉积处理相结合的技术，可通过简单的氧化时间及电流密度的调节，实现铜表面不同浸润性梯度的调节及孔大小的调节，从而实现液滴驱动的调节。

5、本发明制备的梯度多孔微纳米结构铜丝表面，采用简单的气泡模板与电化学处理技术相结合的方法，避免了对表面做进一步物理化学修饰的必要。

6、本发明制备周期短，方法简单，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。

附图说明

图1为本发明采用的梯度阴极沉积方法流程示意图。

图2中a)～d)为本发明实施例制备的梯度阴极沉积铜丝表面的形貌图片、局部电镜照片、和扫描电镜图片。

图3A为本发明实施例制备的铜丝表面铜含量的变化。

图3B为本发明实施例制备的铜丝表面对液滴的接触角示意图。

图4A为液滴在本发明制备的铜丝表面的运动距离示意图。

图4B为本发明制备的铜丝表面的运动距离曲线表示示意图。

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。

本发明采用梯度阴极沉积法，制备得到一种具有多孔微纳米结构铜丝表面，可以实现低温高湿条件下的液滴驱动。本发明提供的所述的梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，具体包括如下步骤：

第一步，电解液的制备：

在硫酸铜溶液中加入硫酸溶液，作为阴极沉积过程的电解液。

所述的电解液中，硫酸铜溶液的浓度为0.1mol/L～2mol/L，硫酸溶液的浓度为0.5mol/L～1.5mol/L。

第二步，铜丝表面预处理：

将直径1mm的铜丝裁剪为长度3cm的小段，将其放入稀盐酸(0.1mol/L)中浸泡，超声15分钟；放入丙酮中浸泡，超声15分钟，以去除表面可能存在的氧化物及杂质，再用乙醇对其进行超声清洗20分钟，在空气中自然烘干。

第三步，梯度阴极沉积法制备梯度多孔微纳米结构表面：

如图1所示，将铜丝顶部与电源负极连接，竖直放置在电解液中，在电解液中的铜丝长度为2cm，其余部分位于液面以上；然后采用直流稳压电源对铜丝进行阴极沉积处理，其中阴极为铜丝，阳极为环形铜片，电极之间的距离为3.5cm，控制阴极沉积过程的电流为2.82A，同时打开电解槽底部的排水口控制液面下降以获得表面浸润性梯度，液体流速为5.89～ 35.33×10^-5L/h。所述排水口的高度低于铜丝底部，直到电解液的液面下降到铜丝底部以下，结束阴极沉积过程。

处理完成后，取出铜丝，然后用去离子水清洗之后自然晾干，得到梯度多孔微纳米结构表面。

如图1所示，在三个不同的时间点分别对铜丝进行了微观形貌观察，刚开始沉积的时候，铜丝表面有均分分布的氢气气泡，气泡直径很小，随着沉积时间的延长，电解液的液面下降，浸没在电解液中的铜丝表面的氢气气泡体积不断增大，铜丝直径也逐渐增大，铜丝表面有孔洞，形成梯形截面的圆锥结构铜丝，直到液面下降到铜丝底部以下，铜丝表面的氢气气泡消失，并且铜丝表面孔洞直径增加，在所述孔洞内分布有铜的二价化合物。至此，最终制备得到具有梯度多孔微纳米结构表面的铜丝。

通过以上梯度阴极沉积处理技术制备的具有梯度多孔微纳米结构表面的铜丝，表现出液滴驱动的性质，且拥有单向的浸润性梯度，解决了低温高湿环境中液滴驱动的技术问题，实现了铜丝表面低温高湿环境下液滴可控驱动的提高。

实施例1

本实施例提供梯度阴极沉积法制备具有多孔微纳米结构铜丝表面的方法，其具体步骤为：

第一步，电解液的制备：

称取4g硫酸铜颗粒，溶于200g去离子水当中，加入17mL浓硫酸，搅拌到完全溶解，常温，作为电解液。

第二步，铜丝表面预处理：

将直径1mm的铜丝裁剪为长3cm的小段，将其放入稀盐酸中浸泡超声15分钟，再分别用丙酮和乙醇对其进行超声清洗15～20分钟，在空气中自然晾干待用。

第三步，阴极沉积法制备梯度多孔微纳米结构铜丝表面：

将铜丝与电源负极连接，竖直放置在电解液中，在电解液中的铜丝长度为2cm，其余部分位于液面以上；阳极为环形铜片，阴极为铜丝，电极之间的距离为3.5cm，控制阴极沉积过程的电流为2.82A，同时打开电解槽底部的排水口阀门控制液面下降以获得表面浸润性梯度，液体流速为11.78×10^-5L/h；采用直流稳压电源对铜丝进行阴极沉积处理。

直到液面下降到铜丝底部以下，处理完成，取出铜丝，然后用去离子水清洗之后自然晾干，得到本发明的具有多孔微纳米结构表面的铜丝。

采用光学显微镜对实施例1制备的具有多孔微纳米结构铜丝表面进行观察：如图2中(a) 所示的是具有多孔微纳米结构铜丝表面整体结构照片，结果显示，铜丝的颜色从顶部红铜色逐渐变化到底部黑色，直径逐渐增加呈圆锥表面。对所述铜丝中图2(a)所示的三个不同位置1)、2)和3)进行扫描电镜图观察，三个位置分别对应图1中的三个时间点取样，如图2 中(b)和(c)所示，可以看到，从1)位置～3)位置铜丝表面的具有孔径逐渐增大孔洞，孔径从28μm增加到112μm，铜丝直径逐渐增大，从原始的1mm增大到1.64mm。图2c中给出了铜丝表面的孔壁的结构，孔洞结构中有长度为14.9μm、直径为0.27微米的粗糙结构，这些粗糙结构又是由很多纳米针结构构成，如图2中d)图所示，并且随着铜丝直径的增加，粗糙结构中的纳米针结构也增加，这种微纳米结构形成的差异梯度，构成了小液滴的合并力。

对铜丝表面的成分进行分析，发现铜丝表面从铜丝的顶端到底端，二价铜含量逐渐增多，具体数据可参见图3A，图3A中的0mm位置对应铜丝与电解液的液面位置。图3B中为铜丝不同位置的接触角数据，沿浸润性梯度方向，水滴在3.36s时间内，接触角逐渐从70.3°递减至0°，这使得铜丝表面在低温(温度：-10℃～5℃)高湿(相对湿度:100％)环境中能够实现液滴的定向驱动，并且控制其运动距离提供了基础。

采用光学显微镜对液滴在梯度多孔微纳米结构铜丝表面的行为进行了观察，如图4A和图4B所示，在空气湿度100％，温度从5℃到-5℃的条件下，液滴沿着铜丝表面的梯度方向的运动距离逐渐增加，在5℃时，1.14s时间内对水滴的传输距离为1.5mm，0℃时，4.14s时间内对水滴的传输距离为3.9mm，在-5℃时，15.81s时间内对水滴的传输距离达到7mm，表现出低温-5℃条件下的较长传输距离。因此，对于实施例1制备的具有多孔微纳米结构铜丝表面，可以在低温高湿的环境中实现液滴的自驱动，并对其运动距离在1.5～7mm之间进行控制。

根据本发明实施例1制备的具有多孔微纳米结构铜丝表面，可以得到，所述的具有多孔微纳米结构铜丝表面为曲率梯度表面，即铜丝的直径越来越大，铜丝越来越粗，形成曲率梯度。

在实施例1的基础上，通过沉积时间及电流密度的调节，可以实现铜表面不同浸润性梯度的调节，从而实现液滴驱动距离的调节。

Claims (5)

1.梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

第一步，电解液的制备；

第二步，铜丝表面预处理；

第三步，梯度阴极沉积法制备梯度多孔微纳米结构表面具体为：

将预处理后的铜丝的顶部与电源负极连接，竖直放置在电解液中，然后采用直流稳压电源对铜丝进行阴极沉积处理，其中阴极为铜丝，阳极为环形铜片，电极之间的距离为3.5cm，控制阴极沉积过程的电流为2.82A，同时打开电解槽底部的排水口控制液面下降以获得表面浸润性梯度，液体流速为5.89～35.33×10^-5L/h；所述排水口的高度低于铜丝底部，直到电解液的液面下降到铜丝底部以下，结束阴极沉积过程；处理完成后，取出铜丝，然后用去离子水清洗之后自然晾干，得到具有梯度多孔微纳米结构表面的铜丝。

2.根据权利要求1所述的梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，其特征在于：所述的电解液由硫酸铜溶液和硫酸溶液混合，电解液中硫酸铜的浓度为0.1mol/L～2mol/L，硫酸的浓度为0.5mol/L～1.5mol/L。

3.根据权利要求1所述的梯度阴极沉积法制备低温高湿液滴驱动铜丝的方法，其特征在于：所述的铜丝表面预处理具体为：

将铜丝放入稀盐酸中浸泡，超声15分钟；放入丙酮中浸泡，超声15分钟，再用乙醇对其进行超声清洗20分钟，在空气中自然烘干。

4.一种具有梯度多孔微纳米结构表面的铜丝，其特征在于：铜丝表面有微米孔洞，在所述孔洞内分布有铜的二价化合物；整体形成梯形截面的圆锥结构铜丝；铜丝的颜色从顶部红铜色逐渐变化到底部黑色，直径逐渐增加呈圆锥表面；铜丝表面的孔洞的孔径从顶部的28μm增加到底部的112μm，铜丝直径逐渐增大，从原始的1mm增大到1.64mm；孔洞结构中有长度为14.9μm、直径为0.27微米的粗糙结构，这些粗糙结构又是由很多纳米针结构构成，并且随着铜丝直径的增加，粗糙结构中的纳米针结构也增加，这种微纳米结构形成的差异梯度，构成了小液滴的合并力。

5.根据权利要求4所述的一种具有梯度多孔微纳米结构表面的铜丝，其特征在于：铜丝表面从铜丝的顶端到底端，二价铜含量逐渐增多，水滴在3.36s时间内，接触角逐渐从70.3°递减至0°，在空气湿度100％，温度从5℃到-5℃的条件下，液滴沿着铜丝表面的梯度方向的运动距离从1.5mm逐渐增加到7mm。