CN110818946B - 一种用于控制气泡的响应性材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于控制气泡的响应性材料及其制备方法。该制备方法包括：将聚二甲基硅氧烷预聚体、聚合固化剂和有机溶剂混合，得到预聚液；采用预聚液覆盖模板剂颗粒，在60℃‑100℃下干燥固化3h‑12h，得到预固体；将预固体浸入水中，得到贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜；向贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜中注入低表面能液体，得到响应性材料。该响应性材料可以用于控制气泡的动力学行为和形态演变。本发明的响应性材料可以在水下长期稳定存在，并且可以对水下气泡的动力学行为和形态演变进行调控。

Description

一种用于控制气泡的响应性材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种对气泡的动力学行为和形态演化进行精准调控的方法，属于材料技术领域。
背景技术
气泡是非溶性气体在液相中的主要存在形态，在自然界和人类生活生产中有着广泛的应用，因此关于气泡的研究也引起了人们的极大关注。在工业生产过程中，许多气液反应的效率受液相中气泡的动力学行为和形态演化的影响，如曝气降解、热量交换和气液质量传输等。气泡动力学行为和形态演化的控制对气液界面的研究和高性能反应器的开发具有重大意义。
气泡的动力学行为和形态演变与材料表面的浸润性密切相关。最近，江雷等人使用超疏水表面对水中气泡分离(公开号CN104761017A)；曹墨源等人利用超润滑界面对水下气泡捕获，并将该界面用于可燃冰的采运(公布号CN107313752 A)。目前，用于气泡相关的材料，大多只具有单一润湿性，并不能针对实时的需求做出相应的改变，不能满足实际需求。
因此，如何制备一种可以操纵气泡动力学行为和形态演化的智能响应性的材料成为现今的研究热点和难点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种在水下稳定存在且可以控制气泡的动力学行为和形态演化的响应性材料。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种响应性材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
将聚二甲基硅氧烷预聚体、聚合固化剂和有机溶剂混合，得到预聚液；其中，聚二甲基硅氧烷预聚体、聚合固化剂和有机溶剂的质量比为10：1：15；
采用预聚液覆盖模板剂颗粒，在60℃-100℃下干燥固化3h-12h，得到预固体；其中，预聚液与模板剂颗粒的质量比为1：1-5：1；
将预固体浸入水中，得到贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜；
向贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜中注入低表面能液体，得到响应性材料。
为了实现上述技术目的，本发明还提供了一种通过上述制备方法得到的响应性材料，该响应性材料可以用于控制气泡的动力学行为和形态演变。
本发明又提供了一种控制气泡动力学行为和形态演变的方法，该方法是通过本发明的响应材料实现的，具体是通过本发明的响应性材料发生形变实现的。
本发明的响应性材料可以在水下长期稳定存在，并且可以对水下气泡的动力学行为和形态演变进行调控，在控制气液反应领域具有巨大的应用前景。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式中通过拉伸调控多孔聚二甲基硅氧烷薄膜表面气泡接触角的示意图。
图2a为本发明一具体实施方式中的多孔聚二甲基硅氧烷薄膜的扫描电子显微图片。
图2b为本发明一具体实施方式中的多孔聚二甲基硅氧烷薄膜在空气中水的接触角。
图2c为本发明一具体实施方式中的多孔聚二甲基硅氧烷薄膜在水中气泡的接触角。
图3为本发明一具体实施方式中的响应性材料的应变-气泡接触角的曲线图。
图4为本发明一具体实施方式中的气泡在响应性材料表面移动的光学图片。
图5为本发明一具体实施方式中的两个气泡在响应性材料表面传输的图片。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
接触角(contact angle)是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。
在本发明的一具体实施方式中，提供了一种响应性材料的制备方法，该制备方法可以包括以下步骤：
将聚二甲基硅氧烷预聚体、聚合固化剂和有机溶剂混合，得到预聚液；其中，聚二甲基硅氧烷预聚体、聚合固化剂和有机溶剂的质量比为10：1：15；
采用预聚液覆盖模板剂颗粒，在60℃-100℃下干燥固化3h-12h，得到预固体；其中，预聚液与模板剂颗粒的质量比为1：1-5：1；
将预固体浸入水中后进行超声并加热，得到贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜；
向贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜中注入低表面能液体，得到响应性材料。
在上述制备方法中，将预固体浸入到水中的目的是溶解去除模板剂颗粒，进行超声和加热的目的是加速模板剂颗粒的溶解，比如可以在60℃下加热1h或12h。
具体地，采用的聚二甲基硅氧烷预聚体可以为道康宁184或其他热固型有机硅橡胶。比如，室温硫化RTV硅橡胶、紫外光交联型丙烯酸酯化的聚二甲基硅氧烷、可水解交联的三乙氧基端基的聚二甲基硅氧烷或可水解交联的三甲氧基端基的聚二甲基硅氧烷。
具体地，预聚液覆盖模板剂颗粒的步骤，通过以下方式进行：
将模板剂颗粒填满模具空间，将预聚液加入到模具中覆盖模板剂颗粒，完成预聚液覆盖模板剂颗粒的步骤。
具体地，模板剂颗粒主要作用为控制多孔膜的孔径和连通性。对模板剂颗粒没有特殊要求，可以用水溶解去除的颗粒即可。比如，采用的模板剂颗粒可以为氯化钠颗粒。
这里，对模具没有具体要求，可以具有规则形状的模具，比如正方形模具、长方形模具。
具体地，低表面能液体可以保证贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜在操纵气泡的过程中不被水润湿，可以保证响应材料在水下稳定持久。采用的低表面能液体的表面张力为10mN/m-30mN/m。比如，地表面能液体的表面张力可以为15mN/m、20mN/m、25mN/m。
具体地，对有机溶剂没有特殊要求，可以与聚二甲基硅氧烷预聚体互溶即可，有机溶剂主要起到稀释作用，可以降低预聚液的粘度，稀释后的预聚液更容易渗透进模板剂颗粒的孔隙中。比如，采用的有机溶剂可以为乙酸乙酯、正己烷或环己烷；更进一步地，采用的有机溶剂为乙酸乙酯。
如图1所示的通过拉伸调控多孔聚二甲基硅氧烷薄膜表面气泡接触角，从图1中可以看出，通过拉伸可以使薄膜表面气泡接触角降低，释放拉力后薄膜表面接触角恢复。
图2a给出了多孔聚二甲基硅氧烷薄膜的扫描电子显微镜图，从图2a中可以看出，聚二甲基硅氧烷薄膜表面具有很多微孔结构。图2b的多孔聚二甲基硅氧烷薄膜在空气中水的接触角，大约为132°；图2c的多孔聚二甲基硅氧烷薄膜在水下气泡的接触角，大约为82°。
在本发明的一具体实施方式中提供了一种响应性材料，该响应性材料是通过本发明的一具体实施方式中响应性材料的制备方法制备得到的。
具体地，对该响应性材料的形状没有特殊要求，可以为二维薄膜、曲面膜、球体薄膜或管壁膜。
该响应性材料可以用于控制气泡的动力学行为和形态演变。
本发明的一具体实施方式中提供了一种控制气泡动力学行为和形态演变的方法，该方法是通过上述响应性材料实现的。
具体地，该方法是通过本发明的响应性材料发生形变实现的。一般2cm2的响应性材料可以控制10μL的气泡。
其中，发生形变的方式包括机械拉伸、机械压缩、机械扭曲、电致形变或热致机械形变。
本发明采用的聚二甲基硅氧烷具有非常好的疏水性、弹性和和化学稳定性，采用的低表面能液体具有极低的表面能和优良的流动性。在水下，低表面能液体可以稳定填充到多孔聚二甲基硅氧烷薄膜中并不会被水驱替；并且在聚二甲基硅氧烷多孔膜伸缩过程中，低表面能液体可以在多孔膜表面和内部流动。横向拉拽可以使灌注低表面能液体的多孔聚二甲基硅氧烷膜伸展和收缩，多孔膜伸缩过程会致使膜内部的压强发生变化，从而改变表面气泡的接触角。同时，灌注低表面能液体的多孔聚二甲基硅氧烷膜的伸缩可以调节多孔膜表面气泡的运动和传输，实现水下气泡动力学和形态演化的控制。
图3为灌注氟油的多孔聚二甲基硅氧烷薄膜(响应性材料)的应变-气泡接触角的曲线图，从图3可以看出，在横向拉力刺激下，响应性材料伸展(应变增大)，其表面气泡的接触角逐渐减小；而后伸展状态的响应性材料逐渐收缩(应变减小)，其表面气泡接触角相应的逐渐增大。
图4为气泡在灌注氟油的多孔聚二甲基硅氧烷薄膜(响应性材料)表面移动的光学图，薄膜处于垂直方向，表面上的气泡在浮力作用下自发向上滑动(i，ii)；当薄膜被横向拉伸发生15％的应变时，气泡停止移动(iii)；当薄膜收缩恢复原形状后，气泡恢复移动(vi)。
图5为两个气泡在灌注氟油的多孔聚二甲基硅氧烷薄膜(响应性材料)表面气体传输的光学图，在薄膜未被拉伸时不同体积的两个气泡之间没有发生气体传输(i，ii)；当薄膜被拉伸发生40％的应变时，两个气泡接触角变小(iii)；当薄膜恢复原形状后，体积较小的气泡内的气体传输到体积较大的气泡内(vi)。
实施例1
本实施例首先提供了一种响应性材料的制备方法，具体可以包括以下步骤：
取聚二甲基硅氧烷预聚体(道康宁184)5g，聚合固化剂0.5g，乙酸乙酯7.5g倒入100mL的烧杯中，搅拌使其均匀混合，得到均匀的预聚液；
将5g氯化钠颗粒倒入方形玻璃材质的模具(长×宽×高＝75mm×50mm×2mm)中，并使其填满整个模具空间。在氯化钠颗粒表面注入5mL的预聚液，而后将模具放入烘箱中70℃固化12h；
将固化后的聚二甲基硅氧烷和氯化钠混合薄膜从模具中取出，放入盛有500毫升水的烧杯中，超声处理5min，而后放入干燥箱中60℃加热1h，重复超声和加热这两个步骤三次直至氯化钠完全溶解，最终得到贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜；
剪取方形(20mm×10mm)的贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜，灌注40μL的全氟聚醚油，得到氟油灌注的多孔聚二甲基硅氧烷薄膜。

Claims (15)

1.一种响应性材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
将聚二甲基硅氧烷预聚体、聚合固化剂和有机溶剂混合，得到预聚液；其中，所述聚二甲基硅氧烷预聚体、聚合固化剂和有机溶剂的质量比为10：1：15；
采用所述预聚液覆盖模板剂颗粒，预聚液与模板剂颗粒的质量比为1：1-5：1，在60℃-100℃下干燥固化3h-12h，得到预固体；
将所述预固体浸入水中后，得到贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜；
向所述贯通多孔的弹性聚二甲基硅氧烷薄膜中注入低表面能液体，得到所述响应性材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷预聚体为道康宁184、硫化RTV硅橡胶、紫外光交联型丙烯酸酯化的聚二甲基硅氧烷、三乙氧基端基的聚二甲基硅氧烷或三甲氧基端基的聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预聚液覆盖模板剂颗粒的步骤，通过以下方式进行：
将所述模板剂颗粒填满模具空间，将所述预聚液加入到模具中覆盖所述模板剂颗粒，完成所述预聚液覆盖模板剂颗粒的步骤。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低表面能液体的表面张力为10mN/m-30mN/m。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙酸乙酯、正己烷或环己烷。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙酸乙酯。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板剂颗粒为氯化钠颗粒。
8.一种响应性材料，其特征在于，该响应性材料是通过权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的。
9.根据权利要求8所述的响应性材料，其特征在于，该响应性材料的形状为二维薄膜、球体薄膜或管壁膜。
10.根据权利要求8所述的响应性材料，其特征在于，该响应性材料的形状为曲面膜。
11.权利要求8-10任一项所述的响应性材料的应用，其特征在于，该响应性材料用于控制气泡的动力学行为和形态演变。
12.一种控制气泡动力学行为和形态演变的方法，其特征在于，该方法是通过权利要求8-10任一项所述的响应性材料实现的。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，该方法是通过权利要求7或8所述的响应性材料发生形变实现的。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，发生形变的方式包括机械拉伸、机械压缩、机械扭曲、电致形变或热致机械形变。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，2cm2的所述响应性材料控制10μL的气泡。
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