CN110105610B - 一种可实现液滴饼状弹跳的大尺寸超疏水锥柱阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功能材料技术领域，提供了一种可实现液滴饼状弹跳的大尺寸超疏水锥柱阵列。该超疏水锥柱阵列为下粗上细结构，底部直径为D，底部间距为S，锥柱高度为H，锥柱形状角度为β，且分别满足180μm≤D≤1260μm，S≤290μm，500μm≤H≤2000μm，139°≤β≤180°；所述的超疏水锥柱阵列对水滴的接触角≥160°、滚动角≤10°。本发明提出了一种可实现液滴饼状弹跳且液‑固接触时间减小约60％的具有形状角度β的新型超疏水锥柱阵列，超疏水锥柱阵列的底端直径大，高径比低，尺寸范围广，具有良好的机械强度。

Description

一种可实现液滴饼状弹跳的大尺寸超疏水锥柱阵列
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，涉及到一种可实现液滴饼状弹跳的大尺寸超疏水锥柱阵列。
背景技术
冻雨是自然界中的常见现象，极易在固体表面附着冻结成冰而对人类生产生活造成破坏。因此如何减少冻雨与固体表面液-固接触时间来使其快速脱离固体表面，进而防止附着结冰现象的发生成为专家学者们研究的热点。
超疏水表面因具有较大接触角和较低滚动角而引起了研究人员的关注，研究人员希望依靠水滴撞击超疏水表面液-固接触时间短并易滚落的特征来防止冻雨附着。水滴撞击超疏水平面时会先铺展然后回弹最后离开基体，对于固定体积的液滴，液-固接触时间几乎不随撞击速度而发生改变。如何进一步减小液-固接触时间对提高超疏水表面防冻雨抗结冰具有重要意义。2014年，香港城市大学Liu等人发现水滴撞击底部直径100μm、高度800μm～1200μm、底部间距100μm、锥柱形状角度180的超疏水直锥阵列上会出现液滴饼状弹跳现象，液-固接触时间减小约80％(Nature Physics,2014,10:515-519)。并且后续研究表明这类亚毫米级直锥阵列结构能够保证降落在固体表面的水滴均与超疏水直锥阵列接触并缩短液固接触时间，应用价值较大。但上述超疏水直锥阵列的底部直径尺寸较小并且高径比过大，导致机械强度较差。因此有必要研发能实现液滴饼状弹跳但底部直径较大的超疏水锥柱阵列。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现液滴饼状弹跳的大尺寸超疏水锥柱阵列。
本发明的技术方案：
一种可实现液滴饼状弹跳的大尺寸超疏水锥柱阵列，为下粗上细结构，底部直径为D，底部间距为S，锥柱高度为H，锥柱形状角度为β，且分别满足180μm≤D≤1260μm，S≤290μm，500μm≤H≤2000μm，139°≤β≤180°；所述的超疏水锥柱阵列对水滴的接触角≥160°、滚动角≤10°。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出了一种可实现液滴饼状弹跳且液-固接触时间减小约60％的具有形状角度β的新型超疏水锥柱阵列；
(2)本发明提出的超疏水锥柱阵列的底部直径大，高径比低，尺寸范围广；
(3)本发明提出的超疏水锥柱阵列具有良好的机械强度。
附图说明
图1(a)是超疏水锥柱阵列底部直径、底部间距和锥柱高度的示意图；
图1(b)是超疏水锥柱的形状角度示意图。
图2(a)是β＝180°、D＝210μm,H＝640μm,S＝180μm的4*3超疏水锥柱阵列的扫描电镜图；
图2(b)是β＝180°、D＝210μm,H＝640μm,S＝180μm的超疏水锥柱的扫描电镜图。
图3是β＝180°、D＝210μm,H＝640μm,S＝180μm超疏水锥柱阵列的超疏水示意图。
图4是21.0μL水滴撞击D＝1260μm，S＝210μm，H＝1980μm，β＝180°，的超疏水锥柱阵列的运动情况。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例：
本发明提出一种可实现液滴饼状弹跳功能的大尺寸超疏水锥柱阵列，如图1所示，该超疏水锥柱阵列由下粗上细两部分结构组成，定义超疏水锥柱阵列底部直径为D，底部间距为S，锥柱高度为H，锥柱的形状角度为β；如图2所示，D＝210μm,S＝180μm，H＝640μm，β＝180°超疏水锥柱阵列的扫描电镜图；该超疏水锥柱阵列对水滴的接触角为163°，滚动角为4°；21.0μL水滴撞击D＝1260μm，S＝210μm，H＝1980μm，β＝180°的超疏水锥柱阵列的运动情况，呈现液滴饼状弹跳状态，接触时间为10.7ms，相较平整超疏水表面弹跳接触时间减少60％，如图4所示。
一种液滴饼状弹跳大尺寸超疏水锥柱阵列的加工方法，步骤如下：
(1)模具加工：设置激光器的纳秒激光加工参数，加工功率为5 W～30 W，扫描速度为100mm/s～2000mm/s，频率为20kHz，击打次数50～100；在金属基板上加工出底部直径为180μm～1260μm、间距≤290μm、高度为500μm～2000μm的锥孔阵列模具；再置于0.4mol/L的HCl溶液中刻蚀处理1～3min，然后去离子水超声清洗，吹干；
(2)浇注固化：将PDMS主剂和交联剂按质量比5:1～20:1混合均匀，对制备的浇注模具进行浇注，并于真空环境下脱泡处理、加热固化60℃～80℃固化3～5h；直接脱模得到PDMS锥柱阵列；
(3)低表面能处理：将得到的PDMS锥柱阵列置于氟硅烷或硬脂酸溶液中进行低表面能修饰，取出烘干，即得超疏水锥柱阵列。

Claims (1)

1.一种可实现液滴饼状弹跳的大尺寸超疏水锥柱阵列，其特征在于，该超疏水锥柱为下粗上细结构，底部直径为D，底部间距为S，锥柱高度为H，锥柱形状角度为β，且分别满足180μm≤D≤1260μm，S≤290μm，500μm≤H≤2000μm，139°≤β≤180°；所述的超疏水锥柱阵列对水滴的接触角≥160°、滚动角≤10°。
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