CN111292920B - 定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列及其制备方法 - Google Patents

定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列及其制备方法。本发明首先利用激光烧蚀技术制备PMMA模板，将PDMS预聚物、固化剂与羰基铁粉混合均匀浇注于模板上，真空脱气处理并对表面羰基铁粉颗粒磁化，刮去模板表面多余的混合溶液；然后浇注纯PDMS预聚物与固化剂混合物，经加热固化后剥离模板，得到磁响应微肋阵列结构表面；最后用激光烧蚀技术对微肋结构表面进行改性，即得超疏水磁响应微肋阵列表面。本发明制备得到的超疏水磁响应微肋阵列，响应速度快，磁响应过程可逆转。本发明制备方法简单，可操作性强，能切实应用于液滴的定向输运，在微流控、生物医药等领域具有广泛的应用价值。

Description

定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列及其制备方法
技术领域
本发明属于功能材料制备技术领域，涉及一种定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列及其制备方法。
背景技术
调控液滴定向输运在微流控、蒸发换热、生物医药、水收集等方面具有广泛的工程应用价值。目前，大量研究主要关注制备静态微纳米结构表面用于调控液滴输运行为。然而由于表面结构的限制，静态微纳米结构表面调控液滴定向输运行为的过程通常不可逆转。
近年来，发展动态响应结构表面调控液滴定向输运成为研究热点。在温度场、电场、光、等外场刺激下，动态响应表面能够改变表面结构形貌，从而改变黏附性、润湿性、光学透射率，调控液滴位置及运动方式。然而，对于目前报道的动态响应结构表面，存在响应速度慢、能耗大、液滴输运距离短等缺点，严重限制了其应用范围。例如，公开号为CN107240475B的中国专利公开了一种定向输运固体微粒的磁性阵列及其制备方法和应用，通过在PVC薄板孔阵列固化磁性粒子与聚合物制备一种磁性阵列，虽然其可以实现非磁性粒子的定向连续输运，但其磁性粒子的最大定向输运距离仅为5.3mm。Liu等(Lin Y,Hu Z,Zhang M,et al.Magnetically Induced Low Adhesive Direction of Nano/MicropillarArrays for Microdroplet Transport.Advanced Functional Materials,2018,28(49):1800163-1800169.)制备了磁响应微米柱阵列结构，磁场作用下微米柱最大弯曲角度仅为59°，结合机械振荡液滴定向输运距离小于4mm。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列及其制备方法。该方法利用激光烧蚀结合模塑法，制备响应速度快且响应过程可逆转的超疏水磁响应微肋阵列。
本发明采用的技术方案是：
定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列的制备方法，具体步骤如下：
(1)利用激光烧蚀在模板表面加工矩形凹槽阵列，制备模板；
(2)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物、固化剂与羰基铁粉(CIP)颗粒按15:1:(65～75)的质量比混合均匀后浇注在步骤(1)所制备的模板上，在真空条件下对模板表面溶液进行脱气处理，随后轻轻刮去模板表面多余的混合溶液，使羰基铁粉颗粒仅存在于模板凹槽中；
(3)将经步骤(2)处理过的模板置于永磁铁上磁化，以使其中的羰基铁粉颗粒磁化；
(4)继续在模板表面浇注纯PDMS预聚物与固化剂的混合溶液，真空脱气后将模板置于加热板上加热至60℃～80℃固化；
(5)加热结束后缓慢剥离模板，得到磁响应微肋阵列结构表面；
(6)利用激光烧蚀技术对步骤(5)中获得的磁响应微肋阵列进行表面改性，使其呈疏水性能，所述的激光烧蚀的功率为14～25W，速度为2032mm/s～2540mm/s，烧蚀次数为1～2次。
优选地，步骤(1)中，所述的模板材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，所述的激光烧蚀的功率为11～30W，速度为203～254mm/s，烧蚀次数为3～4次。
优选地，步骤(2)中，所述的CIP粒径为3.9～5μm。
优选地，步骤(2)中，所述的PDMS预聚物、固化剂和CIP的质量比为15:1:70。
优选地，步骤(2)中，所述的脱气处理时间为30min～2h。
优选地，步骤(3)中，所述的永磁铁为磁场强度200mT～800mT的钕铁硼永磁铁，磁化时间为5min～30min。
优选地，步骤(4)中，所述的PDMS预聚物与固化剂的质量比为(9～12):1，真空脱气时间为30min～2h，固化时间为1h～8h。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过控制激光烧蚀功率制备不同尺寸参数的模板，利用永磁铁对模板表面羰基铁粉颗粒磁化，并经过加热固化、脱模及表面改性后制得不同高度的超疏水磁响应微肋阵列。制备过程简单，可操作性强，能切实应用于液滴的定向输运，在微流控、生物医药等领域具有广泛的应用价值。
(2)本发明的定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列，其肋片最大响应速度达56°/ms，磁场作用下微肋最大弯曲角达125°。
(3)本发明的定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列，磁场作用下弯曲微肋的静态接触角为160°，大大减小了液滴输运过程的黏附阻力。
附图说明
图1为定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列的制备流程图；
图2为实施例1中激光改性前和改性后的磁响应微肋阵列的扫描电子显微镜图，其中：(a)和(b)为改性前的表面形貌图，(c)和(d)为改性后的表面形貌图；
图3为实施例1中外加285mT磁场作用下超疏水磁响应微肋阵列的弯曲角；
图4为实施例1中外加285mT磁场作用下磁响应微肋阵列的静态接触角，其中：(a)为改性前的液滴静态接触角，(b)为改性后的液滴接触角；
图5为实施例1中外加285mT磁场作用下超疏水磁响应微肋阵列输运液滴的实际过程图；
图6为对比例1中外加285mT磁场作用下超疏水磁响应微肋阵列的弯曲角，其中：(a)PDMS预聚物、固化剂和CIP的质量比为15:1:50，(b)PDMS预聚物、固化剂和CIP的质量比为15:1:60；
图7为对比例2中外加285mT磁场作用下磁响应微肋阵列的静态接触角，其中：(a)表面改性时激光烧蚀的功率为10W，速度为2540mm/s，次数为1次，(b)表面改性时激光烧蚀的功率为30W，速度为2000mm/s，次数为1次。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列及其制备方法，制备流程如图1，包括以下步骤：
(1)利用激光烧蚀技术在亚克力(PMMA)表面加工矩形凹槽阵列结构制备PMMA模板，凹槽长10mm，宽100μm，激光烧蚀的功率为15W，速度为254mm/s，烧蚀次数为4次；
(2)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物、固化剂与粒径3.9～5.0μm的羰基铁粉(CIP)按15:1:70的质量比混合均匀浇注于PMMA模板上，真空脱气1h；
(3)轻轻刮去PMMA模板表面多余的混合溶液，使羰基铁粉颗粒仅存在于模板凹槽中。将PMMA模板置于一块磁场强度285mT的钕铁硼永磁铁上磁化10min，得到磁性羰基铁粉颗粒；
(4)在模板表面浇注纯PDMS和固化剂溶液，真空脱气1h后将模板置于80℃加热板上固化4h；
(5)加热结束后缓慢剥离模板，得到磁响应微肋阵列；
(6)利用激光烧蚀技术对磁响应微肋阵列进行表面改性，激光烧蚀的功率为21W，速度为2540mm/s，烧蚀次数为1次，得到超疏水磁响应微肋阵列；
(7)外加磁场驱动肋阵列弯曲的具体实验方法：将磁响应微肋阵列结构表面固定在磁场强度285mT的钕铁硼永磁铁正上方，磁场作用下肋阵列弯曲变形；移动磁铁，肋阵列结构表面的磁场强度减弱至零，磁响应微肋阵列结构从弯曲状态恢复至竖直状态。
图2为实施例1激光改性前和改性后的磁响应微肋阵列的扫描电镜图，其中：(a)和(b)为改性前的表面形貌图，(c)和(d)为改性后的表面形貌图。可以看到，未经激光烧蚀的微肋表面光滑，存在微米级椭球状突起结构；激光烧蚀后，微肋表面形成100nm左右的粒状纳米结构。
图3为实施例1得到的定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列在外加285mT磁场下表面弯曲图。由图3可知，在外加285mT磁场下，磁响应微肋的弯曲角为125°，说明微肋阵列具有良好的磁响应性能。
图4为实施例1外加285mT磁场作用下磁响应微肋阵列的静态接触角，其中：(a)为改性前的液滴静态接触角，(b)为改性后的液滴接触角。从图中可以看出，未进行激光烧蚀的弯曲微肋表面的静态接触角为120°，激光烧蚀后的弯曲微肋表面的静态接触角为160°。
图5为实施例1外加285mT磁场作用下超疏水磁响应微肋阵列输运液滴的实际过程图。如图所示，磁场变化速度为10mm/s时，10uL液滴在微肋阵列上自发向左滚动，400ms时液滴输运距离为7mm。
利用激光烧蚀技术对磁响应微肋阵列进行表面改性时，控制激光烧蚀的功率为14～25W、速度为2032mm/s～2540mm/s和烧蚀次数为1～2次时制得的磁响应微肋阵列的静态接触角均能达到160°左右。
对比例1
(1)利用激光烧蚀技术在亚克力(PMMA)表面加工矩形凹槽阵列结构制备PMMA模板，凹槽长10mm，宽100μm，激光烧蚀的功率为15W，速度为254mm/s，烧蚀次数为4次；
(2)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物、固化剂与粒径3.9～5.0μm的羰基铁粉(CIP)按15:1:50、15:1:60的质量比混合均匀浇注于PMMA模板上，真空脱气1h；
(3)轻轻刮去PMMA模板表面多余的混合溶液，使羰基铁粉颗粒仅存在于模板凹槽中。将PMMA模板置于一块磁场强度285mT的钕铁硼永磁铁上磁化10min，得到磁性羰基铁粉颗粒；
(4)在模板表面浇注纯PDMS和固化剂溶液，真空脱气1h后将模板置于80℃加热板上固化4h；
(5)加热结束后缓慢剥离模板，得到磁响应微肋阵列；
(6)利用激光烧蚀技术对磁响应微肋阵列进行表面改性，激光烧蚀的功率为21W，速度为2540mm/s，烧蚀次数为1次，得到超疏水磁响应微肋阵列；
图6为对比例1中外加285mT磁场作用下超疏水磁响应微肋阵列的弯曲角；其中：(a)PDMS预聚物、固化剂和CIP的质量比为15:1:50，(b)PDMS预聚物、固化剂和CIP的质量比为15:1:60。可以看出，在外加285mT磁场下，当PDMS预聚物、固化剂和CIP的质量比为15:1:50时，磁响应微肋的弯曲角为58°，当PDMS预聚物、固化剂和CIP的质量比为15:1:60时，磁响应微肋的弯曲角为86°。
对比例2
(1)利用激光烧蚀技术在亚克力(PMMA)表面加工矩形凹槽阵列结构制备PMMA模板，凹槽长10mm，宽100μm，激光烧蚀的功率为15W，速度为254mm/s，烧蚀次数为4次；
(2)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物、固化剂与粒径3.9～5.0μm的羰基铁粉(CIP)按15:1:70的质量比混合均匀浇注于PMMA模板上，真空脱气1h；
(3)轻轻刮去PMMA模板表面多余的混合溶液，使羰基铁粉颗粒仅存在于模板凹槽中。将PMMA模板置于一块磁场强度285mT的钕铁硼永磁铁上磁化10min，得到磁性羰基铁粉颗粒；
(4)在模板表面浇注纯PDMS溶液，真空脱气1h后将模板置于80℃加热板上固化4h；
(5)加热结束后缓慢剥离模板，得到磁响应微肋阵列；
(6)利用激光烧蚀技术对磁响应微肋阵列进行表面改性，激光烧蚀的功率为10W，速度为2540mm/s或激光烧蚀的功率为30W，速度为2000mm/s，激光烧蚀次数为1次，得到超疏水磁响应微肋阵列；
图7为对比例2中外加285mT磁场作用下磁响应微肋阵列的静态接触角；其中：(a)表面改性时激光烧蚀的功率为10W，速度为2540mm/s，次数为1次，(b)表面改性时激光烧蚀的功率为30W，速度为2000mm/s，次数为1次。由图可知，激光烧蚀的功率为10W，速度为2540mm/s，次数为1次时，表面改性后弯曲微肋表面的静态接触角为136°，激光烧蚀的功率为30W，速度为2000mm/s，次数为1次时，表面改性后弯曲微肋表面的静态接触角为145°。

Claims (9)

1.定向输运液滴的超疏水磁响应微肋阵列的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1) 利用激光烧蚀在模板表面加工矩形凹槽阵列，制备模板；
(2)将PDMS预聚物、固化剂与羰基铁粉颗粒按15:1:(65~75)的质量比混合均匀后浇注在步骤(1)所制备的模板上，在真空条件下对模板表面溶液进行脱气处理，随后轻轻刮去模板表面多余的混合溶液，使羰基铁粉颗粒仅存在于模板凹槽中，所述的羰基铁粉颗粒的粒径为3.9~5μm；
(3) 将经步骤(2)处理过的模板置于永磁铁上磁化，以使其中的羰基铁粉颗粒磁化；
(4) 继续在模板表面浇注纯PDMS预聚物与固化剂的混合溶液，真空脱气后将模板置于加热板上加热至60ºC~80ºC固化；
(5) 加热结束后缓慢剥离模板，得到磁响应微肋阵列结构表面；
(6) 利用激光烧蚀技术对步骤(5)中获得的磁响应微肋阵列进行表面改性，使其呈疏水性能，所述的激光烧蚀的功率为14~25W，速度为2032mm/s~2540mm/s，烧蚀次数为1~2次。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的模板材料为PMMA。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的激光烧蚀的功率为11~30W，速度为203~254mm/s，烧蚀次数为3~4次。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的PDMS预聚物、固化剂和羰基铁粉颗粒的质量比为15:1:70。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的脱气处理时间为30min~2h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的永磁铁为磁场强度200mT~800mT的钕铁硼永磁铁，磁化时间为5min~30min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的PDMS预聚物与固化剂的质量比为(9~12):1。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，真空脱气时间为30min~2h，固化时间为1h~8h。
9.根据权利要求1至8任一所述的制备方法制得的超疏水磁响应微肋阵列。
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