CN110711686B - 一种仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面及其制备方法，属于超疏水表面领域。本发明的高粘附超疏水表面是以微纳米复合结构的各种超疏水表面作为基底，通过多巴胺缓冲溶液浸泡处理使其微结构顶端被聚多巴胺修饰而得到。该表面具有仿生槐叶苹的特性，即表面微结构顶端亲水而其他部位疏水从而使材料表面具有高粘附超疏水的性能。本发明提出的仿生槐叶苹高粘附超疏水表面，具有制备方法简单、基底选择性广、可控性好等特点，特别适用于转移无损失微量液滴及固体微颗粒，可广泛应用到化学、物理、机械、生物及医学等的科研和生产领域。
Description
技术领域
本发明涉及超疏水表面技术领域，具体而言，尤其涉及一种仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面及其制备方法。
背景技术
自从阵列聚苯乙烯纳米管膜具有高粘附超疏水特性的文献报道以来(文献报道有《先进材料》杂志Adv.Mater.2005,17,1997-1981.)，高粘附超疏水表面的研究吸引了人们的广泛关注。高粘附超疏水表面在无损失液体的转移方面起到独有的作用，实现有腐蚀性的、贵重的、剧毒性微量液滴的操控并在医学、生物和科研领域备受关注。目前高粘附超疏水表面设计路线主要有以下几个方面：
(1)构建特殊纳米管结构实现高粘附超疏水性：如采用电化学方法制备的二氧化钛纳米管膜表面具有高粘附超疏水性，认为纳米管内的封闭空气提供负压进而增强该超疏水表面的粘附性。(文献报道有《先进材料》杂志Adv.Mater.2009,21,3799-3803.)
(2)提高与液滴之间接触面积的方式实现高粘附超疏水性：如通过采用原点状非均匀氧化石墨烯薄膜的三维结构化方法，一步三维收缩制备具有折叠结构的乳突阵列(文献报道有《先进功能材料》杂志Adv.Funct.Mater.2019,29,1900266.)。该表面具有类似玫瑰花瓣表面褶皱结构(文献报道有杂志Langmuir.2008,24,4114-4119.)进而增加水滴和材料表面的接触面积，使表面具有高粘附超疏水性。
(3)引入亲水性物质实现高粘附超疏水性：如氟硅烷溶液中加入适量的硝基纤维素等亲水性物质对粗糙结构表面进行共修饰(文献报道有杂志Langmuir.2008,24,3867-3873.)，或在超疏水表面进行亲水物质的图案化(文献报道有《应用化学》杂志Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,9401-9404)，获得高粘附超疏水性表面。
然而以上设计路线其方法复杂、成本较高、需要复杂设备等缺陷，大大阻碍了高粘附超疏水表面的制备与发展。自然界中槐叶苹具有高粘附超疏水的特性，槐叶苹表面微结构绒毛是疏水的、特别是其顶端则有亲水性细胞(文献报道有《先进材料》杂志Adv.Mater.2010,22,2325-2328)。仿生制备具有槐叶苹特性的微结构顶端亲水的超疏水表面为设计与制备高粘附超疏水表面提供了一个新的思路。
发明内容
根据上述提出现有的高粘附超疏水表面设计路线存在方法复杂、成本高且需要复杂设备等技术问题，而提供一种仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面及其制备方法。本发明主要以具有微纳米复合结构的各种超疏水表面作为基底，通过多巴胺缓冲溶液浸泡处理，从而达到高粘附超疏水表面的特性。
本发明采用的技术手段如下：
一种仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述方法是以具有微纳米复合结构的超疏水表面作为基底，通过多巴胺缓冲溶液浸泡处理使其微纳米复合结构的顶端被多巴胺修饰，得到仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面。
进一步地，所述超疏水表面是金属表面、聚合物表面或无机材料表面中的一种或一种以上的混合物。
进一步地，所述金属表面为铝板、铜板或铁板的表面；所述聚合物表面为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚甲基硅氧烷的表面；所述无机材料表面为硅片或玻璃的表面。
进一步地，所述超疏水表面的微纳米复合结构是通过化学腐蚀、光刻蚀、模板法、相分离或溶胶-凝胶的方法处理得到。
进一步地，所述超疏水表面是通过全氟癸基三氯硅烷、甲基三氯硅烷的无水甲苯溶液或者是聚全氟烷基硅氧烷的乙醇溶液中进行处理得到。
进一步地，所述多巴胺缓冲溶液是盐酸多巴胺与Tris缓冲溶液或者磷酸缓冲液配制，多巴胺溶液浓度为0.05mol/L～0.15mol/L。
进一步地，Tris缓冲溶液是三羟甲基氨基甲烷和水配制，用盐酸滴定溶液使pH值为8.5。
进一步地，所述磷酸缓冲液是磷酸钠溶液和磷酸氢钠溶液配制，用盐酸滴定溶液使pH值为8.5。
进一步地，所述多巴胺缓冲溶液浸泡时间为8分钟～12分钟。
本发明还公开了一种由上述的制备方法制得的仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面。
本发明提供了一种仿生槐叶苹的微结构顶端亲水而其他部位疏水的高粘附超疏水表面及其制备方法，以微纳米复合结构的各种超疏水表面作为基底，通过多巴胺缓冲溶液浸泡处理而得到。基于超疏水表面水下固/液/气三相接触原理以及多巴胺水下粘附原理，多巴胺缓冲溶液只与超疏水表面微结构顶端处接触而其他部位不接触，因此其微结构顶端被亲水的聚多巴胺修饰。该表面具有仿生槐叶苹的微结构顶端亲水而其他部位疏水的特点，进而达到高粘附超疏水的特性。
较现有技术相比，本发明实现微量液滴、固体微颗粒的操纵，具有操作简单、无任何复杂设备、重复性好、在任何有机、无机或金属材料基底上实现等优点。基于上述理由本发明可在超疏水表面领域广泛推广。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的一种仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面制备方法的流程示意图。
图2为本发明实施例1中仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面扫描电镜照片。
图3为本发明实施例1中仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面静态接触角的示意图。
图4为本发明实施例1中仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面翻转180度的接触角的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提出一种仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面及其制备方法，其制备流程如图1所示，具体包括以下几个步骤。
(1)各种基底的微纳米结构粗糙化处理：将铝板、铜板、铁板等金属表面以及聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚甲基硅氧烷等聚合物表面和硅片、玻璃等无机材料表面中的一种或一种以上的混合物作为基底，通过化学腐蚀、光刻蚀、模板法、相分离、溶胶-凝胶等方法获得微纳米结构的各种粗糙表面。
(2)疏水化处理：选择重量分数为0.1％的全氟癸基三氯硅烷-甲苯溶液、重量分数为0.1％的甲基三氯硅烷-甲苯溶液、重量分数为5％的聚全氟烷基硅氧烷-乙醇溶液等中选择一种进行疏水化处理，其中甲苯、乙醇均为分析纯。
(3)将步骤(1)中微纳米结构粗糙化处理的金属基底或无机基底浸入步骤(2)配制好的氟硅烷溶液中进行修饰1小时，之后用丙酮、乙醇、去离子水清洗、氮气吹干并在120℃烘箱中烘干2小时即可获得超疏水表面。
(4)多巴胺缓冲溶液配制：Tris缓冲溶液是三羟甲基氨基甲烷、去离子水和盐酸多巴胺配制；磷酸缓冲溶液是磷酸钠、磷酸氢钠、去离子水和盐酸多巴胺配制。以上缓冲溶液均采用盐酸滴定，使其pH值为8.5，其中多巴胺的浓度为0.05mol/L～0.15mol/L。
(5)将步骤(3)中获得的各种基底超疏水表面浸入到步骤(4)中配制的选择一种多巴胺缓冲溶液中浸泡处理8-12分钟，之后用同种缓冲溶液、去离子水清洗、氮气吹干并在120℃烘箱中烘干2小时即可获得仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面。
实施例1
本实施例提供一种以铝片为基底的仿生槐叶苹高粘附超疏水表面制备方法，具体包括以下几个步骤：
(1)选择铝片作为基底，通过化学腐蚀方法获得微纳米复合结构粗糙表面。将铝片分别用乙醇、去离子水中各超声清洗30分钟，之后用浓度为4mol/L盐酸溶液中腐蚀10分钟，再用去离子水中超声清洗10分钟，取出用氮气吹干备用。
(2)将步骤(1)中处理的铝片浸泡到重量分数为0.1％的全氟癸基三氯硅烷-甲苯溶液中进行疏水化改性，浸泡时间为1小时。之后分别用丙酮、乙醇去离子水清洗、氮气吹干并在120℃烘箱中烘干2小时后获得超疏水表面。
(3)配制多巴胺缓冲溶液。选择盐酸多巴胺以及三羟甲基氨基甲烷、水配制获得Tris-多巴胺缓冲溶液，用盐酸滴定使其pH值为8.5，其中多巴胺的浓度为0.1mol/L。
(4)将步骤(2)中获得的超疏水表面浸入到步骤(3)中配制的多巴胺缓冲溶液中浸泡处理10分钟，即可获得仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面。图2扫描电镜照片表明，仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面具有具有微纳米复合粗糙结构。图3及图4的接触角图表明，该表面具有超疏水性(接触角达到155.5°)及高粘附性(表面翻转180度时水滴仍不掉落)。
实施例2
本实施例提供一种以聚二甲基硅氧烷高分子膜作为基底的仿生槐叶苹高粘附超疏水表面制备方法，具体包括以下几个步骤：
(1)选择聚二甲基硅氧烷，通过模板法获得微纳米复合结构粗糙表面。将二甲基硅氧烷和固化剂按重量比10/1配制，搅拌均匀并除去气泡。选择800目的砂纸表面上滴涂三甲基氯硅烷作为防粘剂。之后将配制好的混合物倒入到以上防粘剂处理过的砂纸表面上，真空容器中抽真空后转移到温度为60℃的烘箱中固化4小时。
(2)将固化后的聚二甲基硅氧烷膜和砂纸剥离，得到砂纸反结构的微纳米复合粗糙结构聚二甲基硅氧烷表面，该表面经过重量分数为0.1％的甲基三氯硅烷-甲苯溶液中进行疏水化改性，浸泡时间为1小时。之后分别用丙酮、乙醇去离子水清洗、氮气吹干并在120℃烘箱中烘干2小时后获得超疏水表面。
(3)配制多巴胺缓冲溶液。选择盐酸多巴胺以及三羟甲基氨基甲烷、水配制获得Tris-多巴胺缓冲溶液，用盐酸滴定使其pH值为8.5，其中多巴胺的浓度为0.15mol/L。
(4)将步骤(2)中获得的超疏水表面浸入到步骤(3)中配制的多巴胺缓冲溶液中浸泡处理8分钟，即可获得仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面。该表面与水的静态接触角为158.3°，且翻转该表面180度时水滴仍不掉落，达到高粘附超疏水的特性。
实施例3
本实施例提供一种以聚苯乙烯为基底的仿生槐叶苹高粘附超疏水表面制备方法，具体包括以下几个步骤：
(1)选择聚苯乙烯，通过相分离方法获得微纳米复合结构粗糙表面。氯仿为溶剂配制成重量分数为20％的聚苯乙烯溶液，将该溶液在湿度为80％条件下旋转涂膜到聚苯乙烯基底上，之后在25℃常温下干燥24小时后获得超疏水表面。
(2)选择盐酸多巴胺以及三羟甲基氨基甲烷、水配制获得Tris-多巴胺缓冲溶液，用盐酸滴定使其pH值为8.5，其中多巴胺的浓度为0.08mol/L。
(3)将步骤(1)中获得的超疏水表面浸入到步骤(2)中配制的多巴胺缓冲溶液中浸泡处理11分钟，即可获得仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面。该表面与水的静态接触角为153.3°，且翻转该表面180度时水滴仍不掉落，达到高粘附超疏水的特性。
实施例4
本实施例提供一种以硅片作基底的仿生槐叶苹高粘附超疏水表面制备方法，具体包括以下几个步骤：
(1)采用光刻蚀的方法(激光刻蚀参数：激光波长为532nm、脉冲大小为20Hz、光斑大小25×10um2、激光能量5J/cm2、电移台移动速度15mm/分钟、电移台移动距离10um)，在硅片表面获得微纳米复合结构粗糙表面，该表面分别用乙醇和水超声清洗10分钟，氮气吹干备用。
(2)将步骤(1)中处理的硅片浸泡到重量分数为5％的聚全氟烷基硅氧烷-乙醇溶液中进行疏水化改性，浸泡时间为1小时。之后分别用丙酮、乙醇去离子水清洗、氮气吹干并在120℃烘箱中烘干2小时后获得超疏水表面。
(3)选择盐酸多巴胺以及磷酸钠、磷酸氢钠、去离子水配制磷酸-多巴胺缓冲溶液，用盐酸滴定使其pH值为8.5，其中多巴胺的浓度为0.05mol/L。
(4)将步骤(2)中获得的超疏水表面浸入到步骤(3)中配制的多巴胺缓冲溶液中浸泡处理12分钟，即可获得仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面。该表面与水的静态接触角为168.3°，且翻转该表面180度时水滴仍不掉落，达到高粘附超疏水的特性。
实施例5
本实施例提供一种以玻璃片作基底的仿生槐叶苹高粘附超疏水表面制备方法，具体包括以下几个步骤：
(1)采用光刻蚀的方法(激光刻蚀参数：激光波长为532nm、脉冲大小为20Hz、光斑大小25×10um2、激光能量5J/cm2、电移台移动速度15mm/分钟、电移台移动距离10um)，在玻璃片表面获得微纳米复合结构粗糙表面，该表面分别用乙醇和水超声清洗10分钟，氮气吹干备用。
(2)将步骤(1)中处理的硅片浸泡到重量分数为0.1％的全氟癸基三氯硅烷-甲苯溶液中进行疏水化改性，浸泡时间为1小时。之后分别用丙酮、乙醇去离子水清洗、氮气吹干并在120℃烘箱中烘干2小时后获得超疏水表面。
(3)选择盐酸多巴胺以及三羟甲基氨基甲烷、水配制获得Tris-多巴胺缓冲溶液，用盐酸滴定使其pH值为8.5，其中多巴胺的浓度为0.12mol/L。
(4)将步骤(2)中获得的超疏水表面浸入到步骤(3)中配制的多巴胺缓冲溶液中浸泡处理9分钟，即可获得仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面。该表面与水的静态接触角为163.3°，且翻转该表面180度时水滴仍不掉落，达到高粘附超疏水的特性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述方法是对各种基底的微纳米复合结构粗糙化处理后，再进行疏水化处理获得各种基底超疏水表面，通过多巴胺缓冲溶液浸泡处理使其微纳米复合结构的顶端被多巴胺修饰，得到仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面。
2.根据权利要求1所述的仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述超疏水表面是金属表面、聚合物表面或无机材料表面中的一种或一种以上的混合物。
3.根据权利要求2所述的仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述金属表面为铝板、铜板或铁板的表面；所述聚合物表面为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚甲基硅氧烷的表面；所述无机材料表面为硅片或玻璃的表面。
4.根据权利要求1所述的仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述超疏水表面的微纳米复合结构是通过化学腐蚀、光刻蚀、模板法、相分离或溶胶-凝胶的方法处理得到。
5.根据权利要求1所述的仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述超疏水表面是通过全氟癸基三氯硅烷、甲基三氯硅烷的无水甲苯溶液或者是聚全氟烷基硅氧烷的乙醇溶液中进行处理得到。
6.根据权利要求1所述的仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述多巴胺缓冲溶液是盐酸多巴胺与Tris缓冲溶液或者磷酸缓冲液配制，多巴胺溶液浓度为0.05 mol/L～0.15 mol/L。
7.根据权利要求6所述的仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面的制备方法，其特征在于，Tris缓冲溶液是三羟甲基氨基甲烷和水配制，用盐酸滴定溶液使pH值为8.5。
8.根据权利要求6所述的仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述磷酸缓冲液是磷酸钠溶液和磷酸氢钠溶液配制，用盐酸滴定溶液使pH值为8.5。
9.根据权利要求6所述的仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述多巴胺缓冲溶液浸泡时间为8分钟～12分钟。
10.一种由权利要求1-9任意一项权利要求所述的制备方法制得的仿生槐叶苹的高粘附超疏水表面。
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