CN110787662A - 一种具有水下气体拦截或收集功能的温控膜及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有水下气体拦截或收集功能的温控膜及制备方法，属于功能材料技术领域。该温控膜由绝热层、两层超疏水/超亲气微结构层、两层加热电极、两层温敏层组成，两层加热电极层对称分布在绝热层上下表面；两层超疏水/超亲气微结构层将加热电极包裹并与绝热层组成三明治结构；温敏材料固定在两层超疏水微结构层外表面；加热电极间有贯通整个温控膜的通孔。本发明的温控膜可用于水介质中对气泡的拦截或收集，由于水下拦截或收集主要关系到气泡的物理性质，而与气体种类无关，因而可拦截或收集多种气体，如空气、氧气、甲烷、氢气、氮气等。

Description

一种具有水下气体拦截或收集功能的温控膜及制备方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，特别涉及具有水下气体拦截或收集功能的温控膜及制备方法。
背景技术
水下气体拦截或收集具有重要的意义和潜在的应用价值，气/液的分离，可防止气泡造成的一系列损害。例如，在微流控实验系统中，向芯片通道注入液体或者流体开关工作时，会引入部分气泡，进而导致流量不稳定，影响实验的精确度；进行细胞培养时，气泡边界的界面张力会对细胞施加压力，甚至会导致细胞死亡；水环境中的气泡会引起严重的腐蚀和堵塞，空化气泡产生的高冲击压力会破坏固体材料的表面。具有超疏水性的微/纳米结构表面，对液体中的气泡具有很高的粘附力和优异的捕泡能力，呈现超亲气性，能在液体中够收集气体；具有超亲水性的微/纳米结构表面，对液体中的气泡呈现超疏气性。近几年研究中具有特定性质和微结构的薄膜，将来可用于收集深海中富含能量的气体；气体收集还能用于化学反应如催化反应、废水处理和电化学反应等。因此，液体中的气体操控具有重要研究和应用价值。
2018年中南大学Kai Yin等提出了一种气体收集装置，利用聚焦激光逐行扫描刻蚀PTFE编织网的上下表面，PTFE编织网上下表面会形成超疏水微纳结构，这种结构在水下能够实现气体的捕捉和定向运输收集(Appl.Phys.Lett.112,243701(2018))。采用激光刻蚀制造超疏水/超亲气的方法容易实现且可控性较高，但这种结构无法实现气体收集的可控性，属于一种纯被动的气体收集装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有水下气体拦截或收集功能的温控膜；另一目的在于提供一种经济、高效的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜及制备方法。
本发明所述一种具有水下气体拦截或收集功能的温控膜，由绝热层、两层超疏水/超亲气微结构层、两层加热电极、两层温敏层组成，两层加热电极层对称分布在绝热层上下表面；两层超疏水/超亲气微结构层将加热电极包裹并与绝热层组成三明治结构；温敏材料固定在两层超疏水微结构层外表面；加热电极间有贯通整个温控膜的通孔。
所述绝热层材料为导热系数小于0.5W/m.K、耐温大于120℃的薄膜材料；
所述加热电极为在绝热层表面溅射沉积的金属材料；
所述超疏水/超亲气微结构层的基底材料为聚二甲基硅氧烷，厚度为100μm～500μm，聚二甲基硅氧烷表面具有超疏水/超亲气微结构；
所述贯通整个温控膜的通孔直径R1为200μm～300μm，通孔间距为d1为400μm～1mm；
所述温敏层材料为聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)，PNIPAM是一种常用的温敏聚合物，能够在特定温度下实现亲水/疏水特性转换，且容易与聚二甲基硅氧烷通过化学方法发生接枝反应，因此温敏聚合物较易接枝到超疏水/超亲气微结构层表面。
本发明的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜及制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在绝热层上制备加热电极；
在厚度为100μm～300μm绝热层1上旋涂光刻胶，并图形化光刻胶(图2a)，然后溅射沉积厚度0.1μm～1μm加热电极材料，去除光刻胶得到加热电极3(图2b)。接着采用相同的方式在绝热薄膜的另外一面沉积加热电极，绝热薄膜上下表面的加热电极位置需要对齐；最后溅射金属引线，作为加热电极引线6；
步骤二：制备超疏水/超亲气微结构层；
在步骤(1)得到的样品上下面各旋涂厚度为100μm～500μm的聚二甲基硅氧烷，并在60℃～90℃下加热20min～6h，得到固化的聚二甲基硅氧烷薄膜(图2c)。
采用逐行的扫描方法，在X方向和Y方向上用聚焦激光束直接刻蚀固化的聚二甲基硅氧烷薄膜上下表面(图2d)，逐行扫描行距h为100μm～400μm，激光刻蚀导致聚二甲基硅氧烷薄膜表面形成微纳超疏水结构，得到超疏水/超亲气微结构层2。最后用50W超声波仔细清洗样品；
步骤三：在超疏水/超亲气微结构层表面接枝温敏材料，包括以下子步骤
3.1在超疏水/超亲气微结构层表面固定光引发剂
光引发剂溶液由二苯甲酮晶体与有机溶剂以质量比10:1～30:1配制，将步骤(2)得到的样品放置光引发剂溶液中浸泡5min～20min，然后将样品在去离子水中充分清洗，去除表面多余的二苯甲酮。聚二甲基硅氧烷层会在乙醇或丙酮等有机溶剂中发生溶胀，二苯甲酮向聚二甲基硅氧烷层表面及内部扩散，实现二苯甲酮在聚二甲基硅氧烷表面的固定。
3.2在超疏水/超亲气微结构层表面接枝温敏层
温敏层制备实际上就是温敏聚合物在聚二甲基硅氧烷表面的接枝。将N-异丙基丙烯酰胺晶体、N,N亚甲基双丙烯酰胺晶体与水以质量比为1:0.1:10～1:0.3:10配制成温敏聚合物接枝溶液，将步骤3.1的样品浸没于温敏聚合物接枝溶液中，然后置于在100W～400W紫外灯下曝光3min～7min，曝光过程中要确保样品上下表面均在紫外灯照射范围内。经过紫外线照射后温敏聚合物接枝到超疏水微结构层表面上，得到温敏层5；
步骤四：制备通孔；
将步骤3得到的样品取出，氮气氛围下干燥后，利用钻床/铣床在相邻加热电极间加工直径R1为200μm～300μm的通孔(图2f)，通孔间距d1为400μm～1mm。
所述的温控膜在室温20℃～25℃环境下表现为水下超疏气性质，对气泡的接触角＞145°；在加热至45℃～70℃情况下，表现为水下超亲气性质，对气泡的接触角＜15°。
本发明的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜，气体收集主要通过以下方式来实现：
加热电极通电，通过外部电桥、发热电极材料电阻温度系数与温度的关系、发热电极初始阻值来控制发热工作温度，使温控膜表面升温到60℃～65℃，此时温控膜表面的温敏材料转变为亲气性，超疏水微结构层表面水下超亲气性恢复，捕捉水下气泡，气体定向通过温控膜通孔，实现水下气体收集。在室温或低温且电极不通电的情况下，温控膜上下表面温敏材料在水下为超疏气性，超疏水微结构层表面丧失水下超亲气性，气体无法通过温控膜，实现气体拦截。
本发明的温控膜可用于水介质中对气泡的拦截或收集，由于水下拦截或收集主要关系到气泡的物理性质，而与气体种类无关，因而可拦截或收集多种气体，如空气、氧气、甲烷、氢气、氮气等。
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步描述，但并非对本发明技术方案限定。
附图说明
图1a.本发明的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜剖面示意图
图1b.本发明的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜俯视图
图2a.在绝热材料衬底图形化电极的示意图
图2b.溅射加热电极及其引线示意图
图2c.旋涂聚二甲基硅氧烷示意图
图2d.聚焦激光逐行扫描刻蚀聚二甲基硅氧烷薄膜表面示意图
图2e.温敏聚合物在聚二甲基硅氧烷表面的接枝示意图
图2f.温控膜上制备通孔示意图
附图标记
1.绝热层，2.超疏水/超亲气微结构层，3.加热电极，4.通孔，5.温敏层，6.加热电极引线，7.聚焦激光逐行扫描刻蚀聚二甲基硅氧烷表面的路径示意图，d1.通孔间距，R1.通孔直径，h.逐行扫描间距，D.加热电极间距，L.加热电极长度，d.加热电极宽度
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1
本实施例针对的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜，加热电极材料为铂；绝热层为100μm厚的聚酰亚胺薄膜；超疏水/超亲气微结构层基底材料聚二甲基硅氧烷厚度为500μm；加热电极间距D为5mm；通孔直径R1为200μm；通孔间距d1为为400μm；逐行扫描间距h为100μm。
1.在绝热层上制备加热电极；
在厚度为100μm的4英寸聚酰亚胺薄膜1上旋涂光刻胶，并图形化加热电极(图2a)，然后溅射沉积厚度1μm、长度L为6cm、宽度d为20μm金属铂，得到加热铂电极3(图2b)。接着采用相同的方式在绝热薄膜的另外一面沉积金属铂3，上下两层加热电极位置需对齐；然后溅射铜引线，作为加热电极引线6。
2.制备超疏水/超亲气微结构层
将聚二甲基硅氧烷的A、B组分以20:1的比例配制并排尽其中的气泡，在步骤(1)得到的样品上表面旋涂厚度为500μm的聚二甲基硅氧烷，并在60℃恒温热箱中加热6h，得到固化的聚二甲基硅氧烷薄膜。然后在样品的另一面重复前述工艺制作一层相同的聚二甲基硅氧烷薄膜(图2c)。
采用逐行的扫描方法，在X方向和Y方向上用聚焦激光束直接刻蚀固化的聚二甲基硅氧烷薄膜上下表面(图2d)，扫面行距h为100μm，激光刻蚀导致聚二甲基硅氧烷薄膜表面2形成超疏水/超亲气结构2。最后用50W超声波仔细清洗样品。
3.在超疏水/超亲气微结构层表面接枝温敏材料
本步骤包括以下子步骤：
3.1在超疏水/超亲气微结构层表面固定光引发剂
光引发剂溶液由二苯甲酮晶体与丙酮以质量比30:1配制，将步骤(2)得到的样品放置光引发剂溶液中浸泡20min，然后将样品在去离子水中充分清洗，去除表面多余的二苯甲酮。
3.2在超疏水/超亲气微结构层表面接枝温敏层
将N-异丙基丙烯酰胺晶体、N,N亚甲基双丙烯酰胺晶体与水以质量比为1:0.3:10配制成温敏聚合物接枝溶液，将步骤3.1得到的样品浸没于温敏聚合物接枝溶液中，然后置于在400W紫外灯下曝光7min，曝光过程中要确保样品上下表面均在紫外灯照射范围内。经过紫外线照射后N-异丙基丙烯酰胺聚合物接枝到超疏水微结构层表面上(图2e)，得到温敏层5。
4.制备通孔
将步骤3得到的样品取出，氮气氛围下干燥后，使用钻床/铣床在加热电极间距加工直径R1为200μm，间距d1为400μm的通孔4(图2f)。
实施例2
本实施例针对的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜，加热电极材料为镍；绝热层为200μm厚的聚酰亚胺薄膜；超疏水/超亲气微结构层基底材料聚二甲基硅氧烷厚度为100μm；加热电极间距D为3mm；通孔直径R1为300μm；通孔间距d1为为1mm；逐行扫描间距h为150μm。
1.在绝热层上制备加热电极；
在厚度为200μm的4英寸聚酰亚胺薄膜1上旋涂光刻胶，并图形化加热电极(图2a)，然后溅射沉积厚度1μm、长度L为6cm、宽度d为30μm金属镍，得到加热镍电极3(图2b)。接着采用相同的方式在绝热薄膜的另外一面沉积金属镍3，上下两层加热电极位置需对齐；然后溅射铜引线，作为加热电极引线6。
2.制备超疏水/超亲气微结构层
将聚二甲基硅氧烷的A、B组分以10:1的比例配制并排尽其中的气泡，在步骤1得到的样品上表面旋涂厚度为200μm的聚二甲基硅氧烷，并在90℃恒温热箱中加热20min，得到固化的聚二甲基硅氧烷薄膜。然后在样品的另一面重复前述工艺制作一层相同的聚二甲基硅氧烷薄膜(图2c)。
采用逐行的扫描方法，在X方向和Y方向上用聚焦激光束直接刻蚀固化的聚二甲基硅氧烷薄膜上下表面(图2d)，扫面行距h为400μm，激光刻蚀导致聚二甲基硅氧烷薄膜表面形成超疏水/超亲气结构层2。最后用50W超声波仔细清洗样品。
3.在超疏水/超亲气微结构层表面接枝温敏材料
本步骤包括以下子步骤
3.1在超疏水/超亲气微结构层表面固定光引发剂
光引发剂溶液由二苯甲酮晶体与无水乙醇以质量比20:1配制，将步骤2得到的样品放置光引发剂溶液中浸泡10min，然后将样品在去离子水中充分清洗，去除表面多余的二苯甲酮。
3.2在超疏水/超亲气微结构层表面接枝温敏层
将N-异丙基丙烯酰胺晶体、N,N亚甲基双丙烯酰胺晶体与水以质量比为1:0.1:10配制成温敏聚合物接枝溶液，将步骤3.1得到的样品浸没于温敏聚合物接枝溶液中，然后置于在200W紫外灯下曝光5min，曝光过程中要确保样品上下表面均在紫外灯照射范围内。经过紫外线照射后N-异丙基丙烯酰胺聚合物接枝到超疏水微结构层表面上(图2e)，得到温敏层5。
4.制备通孔
将步骤3得到的样品取出，氮气氛围下干燥后，使用钻床/铣床在加热电极间距加工直径R1为300μm，间距d1为1mm的通孔4(图2f)。

Claims (7)

1.一种具有水下气体拦截或收集功能的温控膜，其特征在于，由绝热层、两层超疏水/超亲气微结构层、两层加热电极、两层温敏层组成；两层加热电极层对称分布在绝热层上下表面；两层超疏水/超亲气微结构层将加热电极包裹并与绝热层组成三明治结构；温敏材料固定在两层超疏水微结构层外表面；加热电极间有贯通整个温控膜的通孔。
2.一种如权利要求1所述的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜，其特征在于，所述绝热层材料为导热系数小于0.5W/m.K、耐温大于120℃的薄膜材料。
3.一种如权利要求1所述的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜，其特征在于，所述加热电极为在绝热层表面溅射沉积的金属材料。
4.一种如权利要求1所述的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜，其特征在于，所述超疏水/超亲气微结构层的基底材料为聚二甲基硅氧烷，厚度为100μm～500μm，聚二甲基硅氧烷表面具有超疏水/超亲气微结构。
5.一种如权利要求1所述的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜，其特征在于，所述贯通整个温控膜的通孔直径R1为200μm～300μm，通孔间距为d1为400μm～1mm。
6.一种如权利要求1所述的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜，其特征在于，所述温敏层材料为聚N-异丙基丙烯酰胺。
7.一种如权利要求1-6之一所述的具有水下气体拦截或收集功能的温控膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在绝热层上制备加热电极；
在厚度为100μm～300μm绝热层1上旋涂光刻胶，并图形化光刻胶，然后溅射沉积厚度0.1μm～1μm加热电极材料，去除光刻胶得到加热电极3；接着采用相同的方式在绝热薄膜的另外一面沉积加热电极，绝热薄膜上下表面的加热电极位置需要对齐；最后溅射金属引线，作为加热电极引线6；
步骤二：制备超疏水/超亲气微结构层；
在步骤一得到的样品上下面各旋涂厚度为100μm～500μm的聚二甲基硅氧烷，并在60℃～90℃下加热20min～6h，得到固化的聚二甲基硅氧烷薄膜；
采用逐行的扫描方法，在X方向和Y方向上用聚焦激光束直接刻蚀固化的聚二甲基硅氧烷薄膜上下表面，逐行扫描行距h为100μm～400μm，激光刻蚀导致聚二甲基硅氧烷薄膜表面形成微纳超疏水结构，得到超疏水/超亲气微结构层2。最后用50W超声波仔细清洗样品；
步骤三：在超疏水/超亲气微结构层表面接枝温敏材料，包括以下子步骤
3.1在超疏水/超亲气微结构层表面固定光引发剂
光引发剂溶液由二苯甲酮晶体与有机溶剂以质量比10:1～30:1配制，将步骤(2)得到的样品放置光引发剂溶液中浸泡5min～20min，然后将样品在去离子水中充分清洗，去除表面多余的二苯甲酮；聚二甲基硅氧烷层会在乙醇或丙酮等有机溶剂中发生溶胀，二苯甲酮向聚二甲基硅氧烷层表面及内部扩散，实现二苯甲酮在聚二甲基硅氧烷表面的固定；
3.2在超疏水/超亲气微结构层表面接枝温敏层
温敏层制备实际上就是温敏聚合物在聚二甲基硅氧烷表面的接枝。将N-异丙基丙烯酰胺晶体、N,N亚甲基双丙烯酰胺晶体与水以质量比为1:0.1:10～1:0.3:10配制成温敏聚合物接枝溶液，将步骤3.1的样品浸没于温敏聚合物接枝溶液中，然后置于在100W～400W紫外灯下曝光3min～7min，曝光过程中要确保样品上下表面均在紫外灯照射范围内。经过紫外线照射后温敏聚合物接枝到超疏水微结构层表面上，得到温敏层5；
步骤四：制备通孔；
将步骤三得到的样品取出，氮气氛围下干燥后，利用钻床/铣床在相邻加热电极间加工直径R1为200μm～300μm的通孔，通孔间距d1为400μm～1mm。
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