CN109706527B - 一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性、调控液滴移动及引起液滴弹跳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性、调控液滴移动及引起液滴弹跳的方法，该方法在热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；将复合材料置于空气中或二甲基硅油中，在复合材料表面滴上水滴，使用光照调控液滴在固体表面的润湿性，液滴的移动以及液滴的弹跳，具有全程远程非接触，可控性好，循环性好，不用制备电极，不用连接导线等优势，调控液滴在固体表面的方法操作简单，耗时短。

Description

一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性、调控 液滴移动及引起液滴弹跳的方法

技术领域

本发明涉及一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性、调控液滴移动及引起液滴弹跳的方法，属于材料表面润湿性控制领域。

背景技术

润湿性是许多工程和工业技术的核心，其在采油，润滑，液体涂层，印刷，生物过程等领域非常重要。固体表面润湿性可以直观地通过液体的接触角来衡量，当气-液界面与固体表面相遇达到三相平衡时，液相与固相之间形成的夹角即为接触角。固体表面的接触角由杨氏方程(Young’s equation)描述，在光滑平面上，其表达式为：

式中γ为界面张力，S,V,L分别代表固，气，液三相(气相也可以被另一种不混合的液相替代)。

由杨氏方程可知，表面能与接触角密切相关，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。现有技术的润湿特性发生可逆转变的外部条件主要包括紫外光照，加热，电场，磁场，超声波等。

1.紫外光照

通过紫外光照的方式改变固体表面润湿性起自1997年R.Wang等人在Nature的报道，他们发现TiO₂薄膜被带隙以上的紫外光照射一段时间后，其表面将转变为超亲水态，接触角由72°转变为0°，同时在黑暗下放置数天后，接触角将回复至初始状态，并且通过紫外光照射超亲水态可以重复获得。该方法的缺点在于润湿性转换所需时间较长。

2.加热

2001年，Ren-De Sun等人报道了ZnO和TiO₂薄膜的超亲水态不但可以通过紫外光照射实现，而且可以通过加热实现。ZnO和TiO₂薄膜的初始接触角分别为109°和54°，在空气气氛下经过300℃加热1h后，接触角变为接近0°的超亲水态。该方法的缺点在于润湿性转换所需时间较长。

3.电场

电场对接触角的调控是指通过改变液滴与固相介电层之间的电压改变液滴与固相介电层之间的表面张力，最终使接触角改变。Young方程描述了接触角与表面张力的关系。1875年，Lippmann观察到通过在汞与接触的电解液之间施加电场，可以发生汞的电毛细下降现象，并基于吉布斯界面热力学推出电润湿Young-Lippmann方程，

这个方程描述了在外加电场情况下，接触角和外加电场之间的关系。2010年，Maesoon Im等人报道了在柔性PDMS微透镜阵列上的电润湿行为，通过在基底与去离子水液滴之间施加0～200V的电压，可以使接触角由初始的140°转变为58°，并且当电压小于100V时，接触角的变化是可逆的。该方法的缺点在于需要在材料表面制备电极并用导线进行连接。

4.磁场

磁场对表面润湿性的调控一般是在含铁磁性的基底上进行或是对磁性液滴进行。G.Glavan等人将羰基铁粉末掺入PDMS基底制备了一种磁性弹性体，然后施加磁场发现接触角随着外加磁场的改变而改变。该方法的缺点在于制备过程复杂，制备周期相对较长，调控所需时间较长。

5.超声波

1998年，N.Sakai等人在Langmuir上报道了在纯水中对经紫外光照射至超亲水态的TiO₂薄膜使用超声波(45KHz)处理，可以使接触角由超亲水态的0°转变为11°，循环进行紫外光照和超声波处理，接触角可以在0°～11°之间转变。该方法的缺点在于调控所需时间较长，且转变范围有限。

现有技术的不足是：实现反复调控比较复杂，调控所需时间较长，且转变范围有限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性、调控液滴移动及引起液滴弹跳的方法。

术语解释

热释电效应：当晶体被加热或冷却时，晶体中的原子会发生相对位移，正负电荷重心之间的距离也会改变，从而引起晶体自发极化发生变化，在材料两端会产生一个瞬时电压。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，包括步骤如下：

1)提供一热释电材料；

2)热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；

3)热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；

4)将复合材料置于空气中或二甲基硅油中，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，使用一个光源对材料吸光层进行照射或从底部加热，停止照射或加热，待材料温度冷却到初始状态时，实现基于热释电效应利用光照可逆调控液滴在固体表面的润湿性。

根据本发明优选的，步骤1)中所述的热释电材料为铌酸锂LiNbO₃晶片、钽酸锂LiTaO₃晶片、氧化锌ZnO晶片或聚偏氟乙烯PVDF片。

根据本发明优选的，步骤2)中所述的超疏水层为特氟隆Teflon层、NeverWet层或1H,1H,2H,2H-全氟十二烷硫醇层，超疏水层的厚度为5-50μm。

根据本发明优选的，步骤3)中所述的吸光层为油性吸光涂层，油性吸光涂层为油性黑色墨水涂层或饱和碳粉水溶液，吸光层的厚度为0.1-10μm。

根据本发明优选的，步骤4)中所述的光源为可以被吸光层吸收的光源。

进一步优选的，将复合材料置于空气中调控润湿性能时，采用的光源为红外光，光源波长为1064nm，光功率密度为150mW/cm²,照射时间2min。

将复合材料置于二甲基硅油中调控润湿性能时，采用的光源为红外光，光源波长为1064nm，光功率密度为100mW/cm²,照射时间6s，二甲基硅油在25℃时密度为0.966-0.974g/cm³，在50秒之内就可以完成接触角由160°→77°→160°一个循环过程。

一种基于热释电效应对液滴的移动进行调控的方法，包括步骤如下：

1)提供一热释电材料；

2)热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；

3)热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；

4)将复合材料完全浸没入二甲基硅油中倾斜放置，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，水滴受到重力作用向下滚动，在液滴滚动的路径处使用一个光源进行照射，水滴静止在光照处，同时水滴形状将发生变形，停止光照后，水滴继续向下滚动，从而实现对水滴的移动调控。

根据本发明优选的，步骤4)中倾斜角度为30-60°。

根据本发明优选的，步骤4)中采用的光源为红外光，光源波长为1064nm，光功率密度为50mW/cm²。

一种基于热释电效应引起液滴弹跳的方法，包括步骤如下：

1)提供一热释电材料；

2)热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；

3)热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；

4)将复合材料完全浸没入二甲基硅油中，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，以功率密度大于等于200mW/cm²的1064nm红外光进行照射，水滴在样品表面发生弹跳现象。

本发明的有益效果如下：

1.本发明采用的超疏水层制备方法简便，超疏水性优异。

2.本发明调控液滴在固体表面的方法操作简单，而且耗时短，润湿性可逆调控仅需1-2分钟，调控液滴移动需要10s，引起液滴弹跳需要3s。

3.本发明使用光照调控液滴在固体表面的润湿性的改变，液滴的移动，液滴的弹跳，全程远程非接触，可控性好，循环性好，不用制备电极，不用连接导线。

附图说明

图1为本发明实施例1所述接触角测试仪的结构示意图；1：底座；2：CCD相机；3：针管；4：载样品台；5：照明灯；

图2为本发明实施例1所述实验过程示意图；

图3为实施例1中样品在空气中光照前，光照中，光照后接触角的变化对比图

图4为实施例2中样品在二甲基硅油中，光照前，光照中，光照后接触角的变化对比图

图5为实施例2中样品在二甲基硅油中，多次循环光照后，接触角的变化示意图

图6为实施例3中样品在二甲基硅油中，在倾斜角度时，光照对液滴的移动调控过程图

图7为实施例4中样品在二甲基硅油中，在瞬时大功率密度的光照下发生弹跳现象的过程图

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例中超疏水层是按如下方法制备得到的：使用商业NeverWet超疏水涂层，取其基层(base coat)喷灌，摇匀喷液1min在距离样品15～20厘米处喷射喷液，喷射1～2次，然后静置30min；使用顶层(top coat)喷灌，摇匀喷液1min在距离样品15～20厘米处喷射喷液，喷射1～2次，然后静置12h，得到超疏水层。

实施例中测量待测样品的接触角，具体步骤如下：

a、将水滴滴于待测样品表面；

b、拍摄待测钽酸锂样品，得到照片；

c、使用量角软件测量待测钽酸锂样品的接触角。

接触角测试仪，购自承德金和仪器制造有限公司，型号为JY-PHb；接触角测试仪的结构示意图如图1所示，包括：底座1、CCD相机2、针管3、载样品台4、照明灯6，

实施例1：

一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，包括步骤如下：

1)取一片尺寸为5*5*0.5mm³的洁净的钽酸锂晶片，使用油性黑色墨水均匀涂抹在下表面制备一层吸光层；

2)在钽酸锂晶片上表面制备一层厚度均匀的超疏水层，得复合材料；

3)在复合材料超疏水层表面滴上1.5μl水滴，采用接触角测试仪测量样品的表面的初始接触角，然后使用1064nm激光按照图2所示从底部对复合材料吸光层进行照射，功率密度150mW/cm²,照射时间2min。随后再次使用接触角测试仪测量接触角的大小。待测量完成，冷却10min，再次使用接触角测试仪测量接触角的大小。测量所得结果如图3所示。

实施例2：

一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性的方法，包括步骤如下：

1)取一片尺寸为5*5*0.5mm³的洁净的钽酸锂晶片，使用油性黑色墨水均匀涂抹在下表面制备一层吸光层；

2)在钽酸锂晶片上表面制备一层厚度均匀的超疏水层，得复合材料；

3)将复合材料浸没于二甲基硅油中，在复合材料超疏水层表面滴上1.5μl水滴，使用接触角测试仪测量其初始接触角大小，然后使用1064nm的红外光从底部对复合材料吸光层进行照射，功率为100mW/cm²，照射时间6s，使用接触角测试仪测量其接触角大小，在照射到第13s时，停止照射，等待样品冷却，第50s时测量样品接触角大小，所得结果如图4所示。在二甲基硅油中重复循环光照和停照的过程多次，所得循环测试结果如图5所示。

实施例3：

一种基于热释电效应对液滴的移动进行调控的方法，包括步骤如下：

1)取一片尺寸为5*5*0.5mm³的洁净的钽酸锂晶片，使用油性黑色墨水均匀涂抹在下表面制备一层吸光层；

2)在钽酸锂晶片上表面制备一层厚度均匀的超疏水层，得复合材料；

3)将复合材料完全浸没入二甲基硅油中倾斜放置，在复合材料超疏水层表面滴上1.5μl水滴，水滴受到重力作用沿着表面进行滚动，在滚动路径处某一点使用1064nm红外光进行照射，功率密度50mW/cm²,水滴将静止在样品表面，随后停止光照，水滴开始继续滚动。如图6所示。

实施例4：

一种基于热释电效应引起液滴弹跳的方法，包括步骤如下：

1)取一片尺寸为5*5*0.5mm³的洁净的钽酸锂晶片，使用油性黑色墨水均匀涂抹在下表面制备一层吸光层；

2)在钽酸锂晶片上表面制备一层厚度均匀的超疏水层，得复合材料；

4)将复合材料完全浸没入二甲基硅油中，在复合材料超疏水层表面滴上1.5μl水滴，以功率密度为200mW/cm²的1064nm红外光从水滴上方对准水滴向下进行照射，水滴将在样品表面发生弹跳现象。如图7所示。

当然，以上所述仅是本发明的实施方式而已，应当指出本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，包括步骤如下：

1）提供一热释电材料；

2）热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；

3）热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；

4）将复合材料置于空气中或二甲基硅油中，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，使用一个光源对材料吸光层进行照射或从底部加热，停止照射或加热，待材料温度冷却到初始状态时，实现基于热释电效应利用光照可逆调控液滴在固体表面的润湿性；

所述的光源为可以被吸光层吸收的光源，将复合材料置于空气中调控润湿性能时，采用的光源为红外光，光源波长为1064 nm，光功率密度为150 mW/cm², 照射时间2 min；将复合材料置于二甲基硅油中调控润湿性能时，采用的光源为红外光，光源波长为1064 nm，光功率密度为100 mW/cm², 照射时间6s，二甲基硅油在25℃时密度为0.966-0.974 g/cm³，在50秒之内就可以完成接触角由160°→77°→160°一个循环过程。

2.根据权利要求1所述的基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，其特征在于，步骤1）中所述的热释电材料为铌酸锂LiNbO₃晶片、钽酸锂LiTaO₃晶片、氧化锌ZnO晶片或聚偏氟乙烯PVDF片。

3.根据权利要求1所述的基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，其特征在于，步骤2）中所述的超疏水层为特氟隆Teflon层、NeverWet层或 1H,1H,2H,2H-全氟十二烷硫醇层，超疏水层的厚度为5-50μm。

4.根据权利要求1所述的基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，其特征在于，步骤3）中所述的吸光层为油性吸光涂层，油性吸光涂层为油性黑色墨水涂层或饱和碳粉水溶液，吸光层的厚度为0.1-10μm。

5.一种基于热释电效应对液滴的移动进行调控的方法，包括步骤如下：

1）提供一热释电材料；

2）热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；

3）热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；

4）将复合材料完全浸没入二甲基硅油中倾斜放置，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，水滴受到重力作用向下滚动，在液滴滚动的路径处使用一个光源进行照射，水滴静止在光照处，同时水滴形状将发生变形，停止光照后，水滴继续向下滚动，从而实现对水滴的移动调控；采用的光源为红外光，光源波长为1064 nm，光功率密度为50 mW/cm²。

6.根据权利要求5所述的基于热释电效应对液滴的移动进行调控的方法，其特征在于，步骤4）中倾斜角度为30-60°。

7.一种基于热释电效应引起液滴弹跳的方法，包括步骤如下：

1）提供一热释电材料；

2）热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；

3）热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；

4）将复合材料完全浸没入二甲基硅油中，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，以功率密度大于等于200 mW/cm²的1064 nm红外光进行照射，水滴在样品表面发生弹跳现象。

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