CN111333897A - 一种用于液体定向运输的系统及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于液体定向运输的系统，所述系统包括柔性基体以及分布在柔性基体表面的磁致动阵列；其中，所述柔性基体是由柔性橡胶制备得到的；所述磁致动阵列是由磁性颗粒和柔性橡胶混合制备得到的。该系统中的磁致动阵列在外界磁场控制下可实现定向倒伏，倒伏后的阵列可利用拉普拉斯压力对液体进行定向运输，实现了动态可控的液体定向运输。同时，该系统的制备方法简单，易工业化生产，响应速度快，且磁致动方式可以实现无线遥控，穿透性强，安全性高，扩大了液体定向运输器件的适用范围，在雾气收集、农业灌溉、乳化、润滑以及微流体操控等方面具有广泛的应用潜力。

Description

一种用于液体定向运输的系统及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及柔性致动器件领域。更具体地，涉及一种用于液体定向运输系统及其制备方法和应用。
背景技术
液体定向运输在雾收集、农业灌溉、乳化润滑以及微流体操作等方面有着巨大的应用前景。在自然界中，蛛丝、仙人掌刺、猪笼草笼口缘等处都有非常优异的液体定向运输功能，研究者们通过对这些结构进行深入的研究，发现了多个液体定向运输理论，进行了一系列仿生设计。现有仿照蛛丝、仙人掌棘刺结构等进行平面沟槽设计，引导液体定向运输，还有仿照猪笼草笼口结构，将硅橡胶等柔性结构进行赋型，得到可以定向运输液体的结构。但这些结构制备后都只能实现固定的单向液体运输，不能够实现动态的液体定向运输，在实际运用中受到很多限制。
因此，需要提供一种能够实现动态液体定向运输的系统，可以根据需要调整液体定向运输的方向。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种用于液体定向运输的系统，该系统包括柔性基体以及分布在柔性基体表现的磁致动阵列。利用外界磁场可使磁致动阵列发生不同方向的倒伏，实现液体在不同方向上的定向运输。
本发明的第二个目的在于提供一种用于液体定向运输的系统的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种用于液体定向运输的系统的应用。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于液体定向运输的系统，所述系统包括柔性基体以及分布在柔性基体表面的磁致动阵列；其中，所述柔性基体是由柔性橡胶制备得到的；所述磁致动阵列是由磁性颗粒和柔性橡胶混合制备得到的。
可选地，所述磁致动阵列包括多个成行分布的磁致动片，所述磁致动片是由若干个磁致动单元肩并肩排列形成的。
本发明中的磁致动阵列中含有磁性颗粒，利用外界磁场可以使其定向倒伏，倒伏后的阵列可利用拉普拉斯压力对液体进行定向运输；改变外界磁场的方向，即可改变液体的定向运输方向。具体地，在表面张力的作用下，弯曲液面两侧存在压力差，根据拉普拉斯方程，附加压力总是指向液面的曲率中心，也就是说凹液面具有使液面延展的趋势，而凸液面具有使液面收缩的趋势。如图1所示，在没有设置外加磁场时，磁致动片是直立的，外加磁场后，磁制动片在磁场作用下发生定向倒伏，磁致动片对所输运液体是浸润的，因此在其定向弯曲的方向上会形成凹液面，凹液面两侧的拉普拉斯压力差会使液体向外延展，克服两行倒伏磁致动片之间的微小行距，进而流入下一磁致动片行间，而磁致动片背向的一侧，磁致动片的弯曲，使得液体呈凸起状，具有收缩的趋势，液体不会从倒伏磁致动片的背面流下去，实现有效截流，实现液体的定向运输。改变外加磁场的方向，则可改变液体的定向运输方向。
可选地，所述磁致动单元具有长方体结构，其长度为50-300μm，其宽度为10-100μm，高度为50-300μm。例如，所述磁致动单元的长度包括但不限于75-275μm、100-250μm、125-225μm或150-200μm；其宽度包括但不限于20-90μm、30-80μm、40-70μm或50-60μm；其高度包括但不限于75-275μm、100-250μm、125-225μm或150-200μm。
可选地，所述磁致动片之间的行间距与磁致动片高度保持一致，为50-300μm。外加磁场的情况下，磁致动片发生定向倒伏后，相邻两行磁致动片间的距离在液体利用拉普拉斯压力差能够越过的范围。
可选地，所述磁致动阵列中磁性颗粒和柔性橡胶的重量比为1:0.3-3。进一步地，例如，所述磁致动阵列中磁性颗粒和柔性橡胶的重量比包括但不限于1:0.5-2.5、1:0.5-2、1:0.5-1.5或1:0.5-1。磁致动阵列中磁性颗粒的增加一方面会使阵列片层变硬，不易产生倒伏的致动变化，另一方面可以使阵列对磁场强度变化敏感，更易产生倒伏致动变化，故二者比例需调节适当。
可选地，所述柔性橡胶选自聚异戊二烯、聚氨酯、硅橡胶中的一种；优选为硅橡胶；更优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶。
可选地，所述磁性颗粒的粒径为5-20μm，所述磁性颗粒选自羰基铁颗粒、钴粉、四氧化三铁颗粒、钕铁硼颗粒中的一种或多种；优选为平均粒径为5μm的顺磁性羰基铁磁性颗粒。
可选地，所述磁致动阵列的表面进行了亲水性或疏水性处理。根据输运液体的性质，对磁致动阵列表面进行亲水或疏水处理，有利于提高其与输运液体的浸润作用，增大拉普拉斯压力差，提高动向运输效果。
优选地，所述亲水性修饰可采用氧等离子体处理，增加表面的羟基数量，增强亲水性，提高对极性液体的定向运输；疏水性处理采用化学气相沉积氟硅烷(如全氟辛基三氯硅烷)，增强表面的疏水性，提高对油性液体的定向运输能力。
第二方面，本发明提供上述用于液体定向运输系统的制备方法，包括如下步骤：
将柔性橡胶预聚液、磁性颗粒按比例混合后，搅拌均匀，真空除去气泡，得混合物；将混合物填充至模板中，保持负压环境0.5-1小时，移除模板上的多余混合物；然后在模板上方继续涂覆柔性橡胶预聚液，整体固化，脱模，即得；
其中，柔性橡胶预聚液是由柔性橡胶和固化剂按照重量比为5-30:1混合得到的。
制备过程中将混合物填充至模板后，保持负压环境有利于混合物在模板中的充分填充，使获得的磁致动单元密度分布均匀，对磁场的感应一致。
可选地，所述整体固化是在60-120℃下进行2-5h。
可选地，制备过程选用的模板可以是凹槽硅阵列模板，亦可以是凹槽软橡胶阵列模板。其中，凹槽硅阵列模板的制备可采用光刻技术，利用正性光刻胶，按深硅刻蚀通用的Bosch工艺在硅片上进行阵列刻蚀，刻蚀后可得到精度为纳米级的模板；凹槽软橡胶阵列模板的制备，则需要先采用光刻技术得到硅纳米柱阵列模板，然后采用脱模形式获得凹槽软橡胶阵列模板。
在具体的制备过程中，可对模板进行疏水性处理，有利于固化后脱模过程的进行，提高磁致动阵列的完整性。
本发明第三个方面提供上述系统在雾气收集、农业灌溉、乳化、润滑以及微流控方面的应用。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种用于液体定向运输的系统，系统中的磁致动阵列在外界磁场控制下可实现定向倒伏，倒伏后的阵列可利用拉普拉斯压力对液体进行定向运输，实现了动态可控的液体定向运输。同时，该系统的制备方法简单，易工业化生产，响应速度快，且磁致动方式可以实现无线遥控，穿透性强，安全性高，扩大了液体定向运输器件的适用范围，在雾气收集、农业灌溉、乳化、润滑以及微流体操控等方面具有广泛的应用潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为用于液体定向运输的系统实现定向液体运输的原理图。
图2为实施例1中磁致动阵列的直立和倒伏状态显微镜照片，a为磁致动阵列直立状态，b为磁致动阵列在磁场调节下发生倒伏状态。
图3为实施例1中磁致动单元断面的扫描电子显微镜照片。
图4为实施例2中系统对液体截流和定向运输的照片，a为未滴加液体时，b为滴加液体后。
具体实施方式
为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例
实施例1
1)利用光刻技术获得精密加工的硅凹槽模板，其中，凹槽截面尺寸为长180μm，宽20μm，凹槽深度为180μm。对模板使用正己烷和乙醇进行超声清洗，烘干后进行疏水化处理。所述疏水化处理是使用全氟辛基三氯硅烷在负压条件下进行化学气相沉积处理。
2)将PDMS和固化剂按质量比8:1混合，搅拌均匀，得到PDMS预聚液。取适量磁性颗粒与PDMS预聚液混合，磁性颗粒与PDMS预聚液质量比采用1.7:1。将所得磁性混合液用抽真空方法除气泡。磁性混合液滴涂到步骤1)中的硅凹槽模板中，继续加负压确保磁性混合液充满模板凹槽。
3)将步骤2)中模板外多余的磁性混合液移除，在模板上涂覆单纯PDMS预聚液，之后将整体小心转移到底部水平的烘箱中进行固化，其中，烘箱温度采用80℃，固化时间为3个小时。
4)将步骤3)中固化后的样品小心地从模板上取下，对所得的大片磁致动阵列进行切割，分别进行亲水化和疏水化处理。其中所述亲水化处理采用氧等离子体处理，接触角测试显示其对水的接触角明显变小，具有亲水效果。其中所述疏水化处理采用真空升温条件下化学沉降全氟辛基三氯硅烷的方式，接触角测试显示其对水的接触角变大，疏水性增强。
所得磁致动阵列在显微镜下拍摄其对磁场的响应效果如附图2，其中a为不加磁场时阵列直立状态，b为施加磁场后阵列在磁场中发生倒伏状态，由图可见，磁致动阵列可以在磁场中实现较大角度的倒伏。
所得磁致动单元的截断面在扫描电子显微镜下的照片示于图3，其中的球形颗粒为羰基铁磁性颗粒，球状颗粒显示了磁性颗粒在PDMS中比较均匀的分散状态。
倒伏状态的磁致动阵列将能够实现液体的定向运输与截流，其原理如附图1所示。将处理后的磁致动阵列在加有微距镜头的高速摄像机下进行拍摄，可以看到磁致动阵列对不同液体的定向运输与截流。本磁致动阵列可以重复利用，对磁场的响应性倒伏可重复上千次。
实施例2
1)利用光刻技术获得精密加工的硅柱模板，其中，硅柱截面尺寸为长100μm，宽20μm，硅柱高度为180μm。对模板使用正己烷和乙醇进行清洗，烘干后进行疏水化处理。所述疏水化处理是使用全氟辛基三氯硅烷在负压条件下进行化学气相沉积处理。
2)将PDMS的基胶和固化剂按质量比8:1混合，搅拌均匀，得到PDMS预聚液。将PDMS预聚液均匀滴加到步骤1)中的硅柱模板上，转移到底部水平的烘箱中进行固化，其中，烘箱温度采用80℃，固化时间为3个小时。将固化后的PDMS模板从硅柱模板上取下，得到PDMS材质的柔性凹槽模板，用于二次复型。用全氟辛基三氯硅烷对PDMS凹槽模板进行疏水化处理以便于之后阵列的脱附。由于PDMS凹槽模板已经进行疏水化处理，且已经固化完成的PDMS凹槽模板上将不再有游离可反应基团，因此后续涂覆的PDMS预聚液不会与模板固化到一起。
3)取适量磁性颗粒与PDMS预聚液混合，磁性颗粒与PDMS预聚液质量比采用1.7:1。将所得磁性混合液用抽真空方法除气泡。磁性混合液滴涂到步骤2)中的PDMS凹槽模板中，继续加负压确保磁性混合液充满模板凹槽。
4)将步骤3)中模板外多余的混合液移除，在模板上涂覆单纯PDMS预聚液，之后将整体小心转移到底部水平的烘箱中进行固化，其中，烘箱温度采用80℃，固化时间为3个小时。
5)将步骤4)中固化后的样品小心地从模板上取下，对所得的大片磁致动阵列进行切割，分别进行亲水化和疏水化处理。其中所述亲水化处理采用氧等离子体处理，接触角测试显示其对水的接触角明显变小，具有亲水效果。其中所述疏水化处理采用真空升温条件下化学沉降全氟辛基三氯硅烷的方式，接触角测试显示其对水的接触角变大，疏水性增强。
使用二次复型方式获得的磁致动阵列具有面积大、缺陷少、结构更精细等优点。所得阵列倒伏状态下对液体的截流和运输效果展示在图4中，能够很好地实现对液体的定向运输和截流。图4中a是没有滴加液体的状态，b为滴加液体后的状态。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种用于液体定向运输的系统，其特征在于，所述系统包括柔性基体以及分布在柔性基体表面的磁致动阵列；其中，所述柔性基体是由柔性橡胶制备得到的；所述磁致动阵列是由磁性颗粒和柔性橡胶混合制备得到的。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述磁致动阵列包括多个成行分布的磁致动片，所述磁致动片是由若干个磁致动单元肩并肩排列形成的。
3.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述磁致动单元具有长方体结构，其长度为50-300μm，其宽度为10-100μm，高度为50-300μm。
4.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述磁致动片之间的行间距为50-300μm。
5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述磁致动阵列中磁性颗粒和柔性橡胶的重量比为1:0.3-3。
6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述柔性橡胶选自聚异戊二烯、聚氨酯、硅橡胶中的一种；优选地，所述磁性颗粒的粒径为5-20μm，所述磁性颗粒选自羰基铁颗粒、钴粉、四氧化三铁颗粒、钕铁硼颗粒中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述磁致动阵列的表面进行了亲水性或疏水性处理。
8.一种如权利要求1-7任一所述系统的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将柔性橡胶预聚液、磁性颗粒按比例混合后，搅拌均匀，真空除去气泡，得混合物；将混合物填充至模板中，保持负压环境0.5-1小时，移除模板上的多余混合物；然后在模板上方继续涂覆柔性橡胶预聚液，整体固化，脱模，即得；
其中，柔性橡胶预聚液是由柔性橡胶和固化剂按照重量比为5-30:1混合得到的。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述整体固化是在60-120℃下进行2-5h。
10.一种如权利要求1-7任一所述系统在雾气收集、农业灌溉、乳化、润滑以及微流控方面的应用。
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