CN109206652B - 能实现润湿性转换的智能表面构建方法及其所用的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能实现润湿性转换的智能表面构建方法，该将液体橡胶和磁性微粒按一定比例进行混合，然后涂布在基板上，在基板上方一定距离处固定一防粘平板，从基板底部对整个装置施加竖直向上的磁场，液体橡胶自组装形成蘑菇状柱阵列结构，固化成型后，利用氟硅烷对微柱阵列进行修饰，获得依赖微结构调控实现润湿性转换的智能表面。通过外部磁场的诱导，该表面的蘑菇状柱阵列结构可发生弯曲变形，导致水和油在该表面的润湿状态可在低粘附的超双疏状态与高粘附的疏水疏油状态间可逆转换。该制备方法工艺简单、无需复杂设备、无需模板辅助，有利于润湿性可转换智能表面的大规模制造和实际应用。

Description

能实现润湿性转换的智能表面构建方法及其所用的装置
技术领域
本发明属于智能表面制造领域，具体涉及一种能实现润湿性转换的智能表面构建方法及其所用的装置。
背景技术
随着智能技术的不断发展，对具有润湿性转换功能的智能表面的需求日益增加。润湿性可转换的智能表面在粘附和摩擦调控、液体操纵、可控的药物释放系统、芯片实验室设备和仿生传感器等方面具有重要的应用潜力。它能响应磁场、电场、温度、光等外界刺激，使表面微纳结构或化学组分发生改变，从而实现表面润湿性的转换。但目前为止，大部分润湿性可转换的智能表面都依赖化学组分的变化，而通过微纳结构的变形来实现智能表面的可逆润湿性转换少有报道，这在一定程度上限制了它的实际应用。
超双疏表面，一种同时具备超疏水超疏油特性的超润湿性表面，在摩擦、粘附、防污、液体图案、自清洁、微流控、减阻等领域具有广泛的应用前景。通过对自然界具有双疏表面的生物，如跳虫、枯草芽孢杆菌、叶蝉等，进行大量的仿生研究，人们发现重入结构和低表面能对于超双疏表面的构建至关重要。目前，虽然已有光刻技术、模板法、电化学法、等离子技术等多种技术方法来制造具有重入结构的超双疏表面，但还存在着许多缺陷，例如，需模板辅助、复杂的制造工艺、特殊昂贵的设备等。另外，一般的超双疏表面不具备润湿性智能转换的功能，实际应用有一定的局限性。
发明内容
本发明旨在寻找一种简单、无需模板辅助的方法来制造可通过微结构变形实现可逆润湿性转换的智能表面，为这类表面的大规模制造和实际应用奠定良好的基础。所述的可逆润湿性转换的智能表面的微结构能响应磁场变化，使水和油在表面的润湿状态可在低粘附的超双疏状态与高粘附的疏水疏油状态间可逆转换。
本发明针对现有具备润湿性转换特性的智能表面存在的一些缺陷，如化学依赖、制备方法复杂等，提供了一种依赖微结构调控实现润湿性转换的智能表面构建方法及其所用的装置，本方法利用磁性颗粒辅助，通过自组装在表面形成具有可逆弯曲变形特性的蘑菇状柱阵列，利用氟硅烷对该表面进行修饰，获得依赖微结构调控实现润湿性转换的智能表面。
本发明的构建方法包括以下步骤：
1)将液体橡胶与平均粒径为1～30μm的磁性羰基铁微粒或钴微粒按1:0.3～1:1质量比混合后，形成液体橡胶与磁性微粒混合物，将液体橡胶与磁性微粒混合物旋涂或刮涂在基板上形成40～300μm厚的薄膜。
2)将一防粘平板固定在基板上方160～600μm处，在基板底部对整个装置施加0.2～1T竖直向上的磁场，诱导磁性微粒向上排列和聚集，液体橡胶随之向上集聚形成微柱阵列，微柱接触到顶部的防粘平板时形成蘑菇状头部，最终形成蘑菇状微柱阵列。
3)使用常规方法将液体橡胶固化成型，然后，取下基板上方的防粘平板，停止施加磁场，利用氟硅烷在真空条件下对蘑菇状柱阵列进行硅烷化，得到润湿性可切换的智能表面。
步骤1)中，所述液体橡胶固化后具有良好的弹性。
步骤2)中，所述蘑菇状柱阵列的平均柱间距为60～140μm，蘑菇状头部平均直径为20～40μm。
步骤3)中，所述氟硅烷为全氟十二烷基三氯硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟辛基三氯硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷。
该方法所用的装置包括有基板、防粘平板、磁铁、液体橡胶与磁性微粒混合物，基板置于磁铁上，防粘平板位于基板上方，基板上涂有液体橡胶与磁性微粒混合物，液体橡胶与磁性微粒混合物位于基板与防粘平板之间。
本发明的有益效果：
1、本发明无需模板辅助、无需复杂昂贵设备、工艺简单，通过磁场诱导的自组装即形成能发生可逆变形的蘑菇状柱阵列，经氟硅烷修饰降低表面能后，成功构建润湿性可转换的智能表面。
2、本发明构建的智能表面可通过施加外部磁场来实现对水和油的润湿性的可逆转换，在没有润滑液膜存在的情况下，即可完成对油滴或水滴的定点运输。
3、本发明构建的智能表面，其蘑菇状微柱阵列可以在磁场的诱导下变形弯曲，由于具备磁场诱导下可弯曲变形的蘑菇状柱阵列，其应用容易扩展到摩擦和粘附控制领域。
附图说明
图1是本发明的可逆润湿性转换的智能表面的制备流程示意图。
图2是蘑菇状柱阵列的俯视图。
图3是蘑菇状柱阵列的侧视图。
图4是蘑菇状柱阵列可通过磁场诱导发生可逆弯曲变形的示意图。
图5是水和十六烷在可逆润湿性转换的智能表面上的润湿状态转换图。
其中：1—液体橡胶与磁性微粒混合物，2—基板，3—防粘平板，4—磁铁。
具体实施方式
实施例1：
参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，该方法所用的装置包括有基板2、防粘平板3、磁铁4和液体橡胶与磁性微粒混合物1，基板2置于磁铁4上，防粘平板3位于基板2上方，基板2上涂有液体橡胶与磁性微粒混合物1，液体橡胶与磁性微粒混合物1位于基板2与防粘平板3之间。
1)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物(主剂和固化剂质量比为20:1)与粒径为1～10μm的磁性羰基铁微粒按质量比1:0.6混合后，形成液体橡胶与磁性微粒混合物1，将液体橡胶与磁性微粒混合物1刮涂在载玻片上形成70μm厚的薄膜。
2)将一粘贴有聚四氟乙烯薄膜的防粘平板3固定在基板2上方180μm处，在基板2底部通过磁铁4对整个装置施加0.3T竖直向上的磁场，诱导磁性羰基铁微粒向上排列和聚集，液体橡胶随之向上集聚形成微柱阵列，微柱接触到顶部防粘平板3时形成蘑菇状头部，最终形成蘑菇状微柱阵列，微柱间距为105±26μm，蘑菇状头部直径为25±7μm。
3)在65℃烘箱中固化4h，取下基板2上方的防粘平板3，停止施加磁场，利用全氟十二烷基三氯硅烷在真空条件下对蘑菇状柱阵列进行硅烷化，获得智能表面，10μL十六烷液滴在这种表面上的润湿状态可以在超疏油状态(接触角＝154°，滑动角＝9°)和疏油状态(接触角＝111°，无滑动)间可逆转换，10μL水滴在这种表面上的润湿状态可以在低粘附的超疏水状态(接触角＝157°，滑动角＝8°)和较高粘附的疏水状态间转换(接触角＝146°，滑动角＝18°)。
实施例2：
参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，该方法所用的装置包括有基板2、防粘平板3、磁铁4和液体橡胶与磁性微粒混合物1，基板2置于磁铁4上，防粘平板3位于基板2上方，基板2上涂有液体橡胶与磁性微粒混合物1，液体橡胶与磁性微粒混合物1位于基板2与防粘平板3之间。
1)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物(主剂和固化剂质量比为20:1)与粒径为1～10μm的磁性羰基铁微粒按质量比1:0.8混合后，形成液体橡胶与磁性微粒混合物1，将液体橡胶与磁性微粒混合物1刮涂在载玻片上形成80μm厚的薄膜。
2)将一粘贴有聚四氟乙烯薄膜的防粘平板3固定在基板2上方300μm处，在基板2通过磁铁4底部对整个装置施加0.4T竖直向上的磁场，诱导磁性羰基铁微粒向上排列和聚集，液体橡胶随之向上集聚形成微柱阵列，微柱接触到顶部的防粘平板3时形成蘑菇状头部，最终形成蘑菇状微柱阵列，微柱间距为135±28μm，蘑菇状头部直径为32±8μm。
3)在65℃烘箱中固化4h，取下基板2上方的防粘平板3，停止施加磁场，利用全氟十二烷基三氯硅烷在真空条件下对蘑菇状柱阵列进行硅烷化，获得智能表面，10μL十六烷液滴在这种表面上的润湿状态可以在超疏油状态(接触角＝151°，滑动角＝10°)和疏油状态(接触角＝104°，无滑动)间可逆转换，10μL水滴在这种表面上的润湿状态可以在低粘附的超疏水状态(接触角＝154°，滑动角＝9°)和较高粘附的疏水状态间转换(接触角＝144°，滑动角＝24°)。

Claims (4)

1.一种能实现润湿性转换的智能表面构建方法，包括以下步骤：
1)将液体橡胶与平均粒径为1～30μm的磁性羰基铁微粒按1:0.3～1:1质量比混合后，形成液体橡胶与磁性微粒混合物，将液体橡胶与磁性微粒混合物旋涂或刮涂在基板上形成40～300μm厚的薄膜；
2)将一防粘平板固定在基板上方160～600μm处，在基板底部通过磁铁对整个装置施加0.2～1T竖直向上的磁场，诱导磁性羰基铁微粒向上排列和聚集，液体橡胶随之向上集聚形成微柱阵列，微柱接触到顶部的防粘平板时形成蘑菇状头部，最终形成蘑菇状微柱阵列；
3)使用常规方法将液体橡胶固化成型，然后，取下基板上方的防粘平板，停止施加磁场，利用氟硅烷在真空条件下对蘑菇状柱阵列进行硅烷化，得到润湿性可切换的智能表面。
2.根据权利要求1所述的一种能实现润湿性转换的智能表面构建方法，其特征在于：步骤2)中，所述蘑菇状柱阵列的平均柱间距为60～140μm，蘑菇状头部平均直径为20～40μm。
3.根据权利要求1所述的一种能实现润湿性转换的智能表面构建方法，其特征在于：步骤3)中，所述氟硅烷为全氟十二烷基三氯硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟辛基三氯硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷。
4.一种如权利要求1所述方法所用的装置，其特征在于：包括有基板、防粘平板、磁铁、液体橡胶与磁性微粒混合物，基板置于磁铁上，防粘平板位于基板上方，基板上涂有液体橡胶与磁性微粒混合物，液体橡胶与磁性微粒混合物位于基板与防粘平板之间。
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