CN109278228A - 电场响应弹性体微结构表面液体输运器件及其制备方法 - Google Patents

电场响应弹性体微结构表面液体输运器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电场响应弹性体微结构表面液体输运器件，包括基底和微纳米材料，基底为具有电响应性能的弹性体，基底选自道康宁184聚二甲基硅氧烷、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体中的任意一种。本发明还公开了一种液体输运的方法，在弹性体基底表面通过覆形的方法获得具有V字结构的V形棱柱，利用电场对具有V形结构的弹性体基底进行不对称拉伸，利用不对称的拉普拉斯压力差产生驱动力，通过不断重复这一过程，实现液滴的连续、快速运输。

Description

电场响应弹性体微结构表面液体输运器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电场诱导介电弹性体微结构表面驱动液体输运领域，更具体的说是涉及一种电场响应微纳米材料控制表面结构及浸润性不对称变化的器件、制备方法及应用。
背景技术
外场响应性浸润性材料在液体输运、防雾防冰、制备微反应器等领域具有广阔的应用前景。
目前，已有研究表明通过光、电、磁、外力等可以实现表面结构或组成变化梯度，进而实现表面浸润性梯度，并实现液滴定向移动，继而应用于液体输运。表面上微纳米结构的构筑大大增加表面的疏水性(详见参考文献[1]Y.Zheng,D.Han,J.Zhai,Appl.Phys.Lett,2008,92,084106.[2]N.A.Patankar,Langmuir,2004,20:8209-8213.[3]R.Blossey,NatureMaterials,2003,2:30l-306.)，与智能响应性的表面相结合，可以获得超疏水表面液滴的操纵。
电场响应浸润的研究主要是通过在液滴与电极之间施加电场来实现液滴在疏水亲水之间的转换，难以实现亲疏水的可逆控制。磁性复合界面([4]Dongliang Tian,NaZhang,Xi Zheng,Guanglei Hou,Ye Tian,Yi Du,Lei Jiang,and Shi Xue Dou.ACS Nano2016,10,6220-6226)，与液体接触，容易引入杂质。机械拉伸作用可以改变超疏水材料柔性基底上微纳米结构之间的距离，进而改变表面的粘附性和液体在表面上的浸润性(详见参考文献[5]Zhiwei Wang,Li fang Yuan,Lei Wang,Tianzhun Wu,Sensors and ActuatorsB2017,244,649–654.[6]Xu Huang,Yajuan Sun,and Siowling Soh,Adv.Mater.2015,27,4062–4068.[7]Shuai Zhao,Hong Xia,Dong Wu,Chao Lv,Qi-Dai Chen,Katsuhiko Ariga,Lian-Qing Liu and Hong-Bo Sun,Soft Matter,2013,9,4236–4240)。然而，目前对柔性基底的机械拉伸的控制方法灵活性差，可控性差，难与实际应用相结合。
因此，如何提供一种原位可控、操作方便、可逆的外场响应表面，进行操控液体是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有各向异性浸润特性的PDMS薄膜，为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
电场响应弹性体微结构表面液体输运器件，包括基底和所述微纳米材料，所述基底为具有电响应性能电响应性能的弹性体。
优选的，所述基底选自道康宁184聚二甲基硅氧烷、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体中的任意一种。
一种具有各向异性微纳米结构表面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过设计模板在硅片上刻出所需的不对称结构(如V型棱柱，锥形，梯型棱柱等)，并做出不同的横纵间距(如横向间距为5μm，纵向间距为5μm；横向间距为5μm，纵向间距为10μm等一系列不同间距)。
步骤二：选择具有电响应性能的弹性体以10：1的比例混合均匀；
步骤三：利用抽真空的方式去除气泡，放置于电热鼓风干燥箱中80℃-120℃干燥1小时，固化成型；
步骤四：取出冷却，将PDMS膜从硅片上取下，即得到有结构的PDMS薄膜。
利用电场和电场响应微纳米材料表面结构进行表面浸润性控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在具有电响应性能的弹性体的正反两面均涂上石墨电极膏，形成电极，并将电极涂成“回”字状，在没有涂覆电极的部分涂覆二甲基硅油；
(2)分别在步骤(1)中涂过电极的胶带两侧粘贴导电铜胶带，接通电源；
(3)连通电压，具有电响应性能的弹性体涂有电极的基底部分被拉伸，具有电响应性能的弹性体的中间部位未涂有电极的部分收缩，此时，“V”字形之间的距离发生改变，水滴两侧接触角发生不对称改变；
(4)撤掉电压，具有电响应性能的弹性体涂有电极的部分恢复原状，弹性体中间未涂有电极的部分基底被拉伸。
薄膜经以上(3)和(4)两次的不对称拉伸和收缩，表面结构发生变化，产生不对称结构梯度，导致其上面的水滴接触角产生不对称的变化，经连续拉伸和收缩循环，水滴会被拉普拉斯压力差驱动向一侧连续移动。
通过电场与介电弹性体材料相结合，通过连续循环不对称拉伸和收缩进行表面液体可控输运，该方法在表面液体单向驱动、防雾防冰、传热、微反应器中具有广阔应用前景。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种单向驱动水滴输运的方法，利用电场连续施加和撤销的循环对介电弹性体表面进行不对称拉伸和收缩，表面响应产生的不对称微纳米表面结构间距比例，从而产生不对称的接触角变化，水滴会被拉普拉斯压力差驱动向一侧连续运动。本发明通过电场实现表面结构不对称变化驱动液体运输，具有原位快速，响应速度快，可逆性好，操作简便等优点，因此具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的流程图；
图2附图为材料制备流程图；
图3附图为在PDMS上施加电场模型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种具有各向异性浸润特性的PDMS薄膜，包括基底和所述微纳米材料，基底为具有电响应性能的弹性体，具体基底为道康宁184聚二甲基硅氧烷。
一种具有各向异性微纳米结构表面材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在硅片上涂覆一层光刻胶，利用光刻法在硅片上刻出所需的“V”字结构，并做出不同的横纵间距；
步骤二：选择具有电响应性能的弹性体以主剂和固化剂10：1的比例混合均匀；
步骤三：利用抽真空的方式去除气泡，放置于电热鼓风干燥箱中80℃-120℃干燥1h，固化成型；
步骤四：取出冷却，将PDMS膜从硅片上取下，即得到有结构的PDMS薄膜。
利用电场和电场响应微纳米材料表面结构进行表面浸润性控制的方法包括以下步骤：
首先，在具有电响应性能的弹性体的正反两面均涂上石墨电极膏，形成电极，并将电极涂成“回”字状，利用旋涂机在没有涂覆电极的部分涂覆一薄层二甲基硅油(低速600r/h，10s；高速2000r/h，10s)；
其次，分别在涂过电极的胶带两侧粘贴导电铜胶带，用电极膏连接，连接电源；
为了防止出现膜变形导致接触不良的问题，此处铜胶带与电极之间有一定的缝隙，中间缝隙用电极膏连接起来；
当连通电压时，具有电响应性能的弹性体涂有电极的基底部分被拉伸，具有电响应性能的弹性体的中间部位未涂有电极的部分收缩，此时，“V”字形之间的距离发生改变，水滴两侧接触角发生不对称改变；
当撤掉电压时，具有介质性质的弹性体涂有电极的部分恢复原状，弹性体中间未涂有电极的部分基底被拉伸，薄膜上水滴两次的不对称接触角产生不对称的表面张力，驱动水向一侧移动，连续循环。
实施例2：
一种具有各向异性浸润特性的PDMS薄膜，包括基底和所述微纳米材料，基底为具有电响应性能的弹性体，基底选自道康宁184聚二甲基硅氧烷、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体中的任意一种。
一种具有各向异性微纳米结构表面材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：通过设计模板在硅片上刻出所需的不对称结构，并做出不同的横纵间距，不对称结构为梯型棱柱；
步骤二：选择具有电响应性能的弹性体以10：1的比例混合均匀；
步骤三：利用抽真空的方式去除气泡，放置于电热鼓风干燥箱中80℃干燥45min，固化成型；
步骤四：取出冷却，将PDMS膜从硅片上取下，即得到有结构的PDMS薄膜。
利用电场和电场响应微纳米材料表面结构进行表面浸润性控制的方法，包括以下步骤：
(1)在具有电响应性能的弹性体的正反两面均涂上石墨电极膏，形成电极，并将电极涂成“回”字状，在没有涂覆电极的部分，涂覆二甲基硅油厚度为10μm；
(2)分别在步骤(1)中涂过电极的胶带两侧粘贴导电铜胶带，接通电源；
(3)连通电压，具有电响应性能的弹性体涂有电极的基底部分被拉伸，具有电响应性能的弹性体的中间部位未涂有电极的部分收缩，此时，“V”字形之间的距离发生改变，水滴两侧接触角发生不对称改变；
(4)撤掉电压，具有介质性质的弹性体涂有电极的部分恢复原状，弹性体中间未涂有电极的部分基底被拉伸；
薄膜经步骤(3)和(4)两次的不对称拉伸和收缩，表面结构发生变化，产生不对称结构梯度，导致其上面的水滴接触角产生不对称的变化，经连续拉伸和收缩循环，水滴会被拉普拉斯压力差驱动向一侧连续移动。
实施例3：
一种具有各向异性浸润特性的PDMS薄膜，包括基底和所述微纳米材料，基底为具有电响应性能的弹性体，基底选自道康宁184聚二甲基硅氧烷、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体中的任意一种。
一种具有各向异性微纳米结构表面材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：通过设计模板在硅片上刻出所需的不对称结构，并做出不同的横纵间距，不对称结构为梯型棱柱；
步骤二：选择具有电响应性能的弹性体以10：1的比例混合均匀；
步骤三：利用抽真空的方式去除气泡，放置于电热鼓风干燥箱中80℃干燥1h，固化成型；
步骤四：取出冷却，将PDMS膜从硅片上取下，即得到有结构的PDMS薄膜。
利用电场和电场响应微纳米材料表面结构进行表面浸润性控制的方法，包括以下步骤：
(1)在具有电响应性能的弹性体的正反两面均涂上石墨电极膏，形成电极，并将电极涂成“回”字状；
(2)分别在步骤(1)中涂过电极的胶带两侧粘贴导电铜胶带，接通电源；
(3)连通电压，具有电响应性能的弹性体涂有电极的基底部分被拉伸，具有电响应性能的弹性体的中间部位未涂有电极的部分收缩，此时，“V”字形之间的距离发生改变，水滴两侧接触角发生不对称改变；
(4)撤掉电压，具有介质性质的弹性体涂有电极的部分恢复原状，弹性体中间未涂有电极的部分基底被拉伸；
薄膜经步骤(3)和(4)两次的不对称拉伸和收缩，表面结构发生变化，产生不对称结构梯度，导致其上面的水滴接触角产生不对称的变化，经连续拉伸和收缩循环，水滴会被拉普拉斯压力差驱动向一侧连续移动。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.电场响应弹性体微结构表面液体输运器件，其特征在于，包括基底和微纳米材料，所述基底为具有电响应性能的弹性体。
2.根据权利要求1所述的电场响应弹性体微结构表面液体输运器件，其特征在于，所述基底选自道康宁184聚二甲基硅氧烷、丙烯酸酯弹性体、聚氨酯弹性体中的任意一种。
3.电场响应弹性体微结构表面液体输运器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过设计模板在硅片上刻出所需的不对称结构，并做出不同的横纵间距；
步骤二：选择具有电响应性能的弹性体以10：1的比例混合均匀；
步骤三：利用抽真空的方式去除气泡，放置于电热鼓风干燥箱中80℃-120℃干燥1h，固化成型；
步骤四：取出冷却，将PDMS膜从硅片上取下，即得到有结构的PDMS薄膜。
4.根据权利要求3所述的电场响应弹性体微结构表面液体输运器件的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的不对称结构包括但不限于V型棱柱，锥形和梯型棱柱。
5.根据权利要求4所述的电场响应弹性体微结构表面液体输运器件的制备方法，其特征在于，所述横纵间距中包括但不限于以下间距中的一种：
横向间距为5μm，纵向间距为5μm；
横向间距为5μm，纵向间距为10μm。
6.利用电场和电场响应弹性体微结构表面液体输运器件进行表面浸润性控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在具有电响应性能的弹性体的正反两面均涂上石墨电极膏，形成电极，并将电极涂成“回”字状，在没有涂覆电极的部分涂覆二甲基硅油；
(2)分别在步骤(1)中涂过电极的胶带两侧粘贴导电铜胶带，接通电源；
(3)连通电压，具有电响应性能的弹性体涂有电极的基底部分被拉伸，具有电响应性能的弹性体的中间部位未涂有电极的部分收缩，此时，“V”字形之间的距离发生改变，水滴两侧接触角发生不对称改变；
(4)撤掉电压，具有介质性质的弹性体涂有电极的部分恢复原状，弹性体中间未涂有电极的部分基底被拉伸。
7.根据权利要求6所述的利用电场和电场响应弹性体微结构表面液体输运器件进行表面浸润性控制的方法，其特征在于，所述步骤(1)中涂覆二甲基硅油，厚度为1-10μm。
8.根据权利要求6所述的利用电场和电场响应弹性体微结构表面液体输运器件进行表面浸润性控制的方法，其特征在于，所述薄膜经步骤(3)和(4)两次的不对称拉伸和收缩，表面结构发生变化，产生不对称结构梯度，导致其上面的水滴接触角产生不对称的变化，经连续拉伸和收缩循环，水滴会被拉普拉斯压力差驱动向一侧连续移动。
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