CN112406096B - 一种浸润性主动调节装置及其制备方法 - Google Patents

一种浸润性主动调节装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于浸润性仿生相关技术领域，其公开了一种浸润性主动调节装置及其制备方法，所述装置包括：基体结构；设于基体结构内部的驱动结构，驱动结构为导电材料；设于所述基体结构表面并与所述驱动结构连接的浸润性调节结构，所述浸润性调节结构包括柱体以及连接于所述柱体端部并具有多个分支的头部，所述头部的多个分支在所述驱动结构的传递的刺激信号的刺激下产生合拢或分开变形，进而实现疏水或亲水特性的调节。本申请通过对微结构变形的控制可以实现对不同疏水或亲水程度的要求，满足不同功能性，响应性及响应动作的要求。

Description

一种浸润性主动调节装置及其制备方法
技术领域
本发明属于浸润性仿生相关技术领域，更具体地，涉及一种浸润性主动调节装置及其制备方法。
背景技术
特殊浸润性界面材料指的是通过模仿自然界中具有超疏水性特性，如荷叶、人厌槐叶萍等；或模仿自然界中具有超亲水特性，如紫花玻璃草等，所设计并制备出的界面材料，该材料通过改变表面微结构和化学组成在材料表面构建出超疏水、疏水、亲水、超亲水等不同的浸润性。均有特殊浸润性的界面材料广泛应用于微流控、油水分离和智能传感等领域。
传统的特殊浸润性界面材料制备方法有等离子体处理法、静电纺丝法、激光表面修饰法等。天然的生物界面通常是刺激响应性，然后受传统成形方法的限制，无法成形复杂三维立体结构，且所制备的界面材料在完成制备的同时其结构和功能已被固化，材料已不再“智能”，难以满足复杂条件下的应用需求。虽然近几年，研究人员已实现了通过多种外界刺激方式，如光、热和PH值等，实现智能界面材料表面浸润性的转变，但是通过传统工艺所成形的智能界面材料仍无法实现界面材料的多功能一体化成形，以及界面材料浸润性定点、定量和定向的浸润性调控。因此急需设计一种可以进行浸润性控制的浸润性调节装置及制备方法，以实现对浸润性灵活调节的需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种浸润性主动调节装置，所述装置通过驱动结构驱动浸润性调节结构变形，进而实现对浸润性调节结构的具体结构进行控制，由于浸润性中的疏水性和亲水性由浸润性调节结构的端部微结构控制，因此浸润性调节结构的形变影响浸润性，通过驱动结构控制浸润性调节结构的变形量，进而控制浸润性调节结构的疏水性或亲水性程度，以此方式实现浸润性的主动调节。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种浸润性主动调节装置，其特征在于，所述装置包括：基体结构；设于所述基体结构表面并与所述驱动结构连接的浸润性调节结构，所述浸润性调节结构包括柱体以及连接于所述柱体端部并具有多个分支的头部，所述头部的多个分支在所述驱动结构的传递的刺激信号的刺激下产生合拢或分开变形，进而实现疏水或亲水特性的调节。
优选地，所述浸润性调节结构包括内芯以及覆盖于所述内芯表面的浸润性材料，所述内芯的材料为形状记忆材料；所述浸润性材料为疏水聚氨酯或亲水丝素蛋白。
优选地，所述基体结构表面上的所述浸润性调节结构的数量为多个，所述驱动结构的数量至少为一个。
优选地，所述驱动结构为热电转换结构，所述形状记忆材料为热量驱动变形的材料，所述驱动结构在将电能转换为热量以加热所述形状记忆材料，使得所述形状记忆材料产生变形，进而实现合拢或分开。
优选地，所述形状记忆材料为热塑性聚氨酯、聚乳酸、聚己内酯。
优选地，所述形状记忆材料为压电效应驱动变形的材料，以在外界电场的作用下由于感应极化作用产生变形。
优选地，所述形状记忆材料为铁电聚合物。
优选地，驱动结构的材料为聚吡咯、聚乳酸/炭黑、聚乳酸/石墨烯中的一种或几种组合。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述的浸润性主动调节装置的制备方法，采用4D打印技术打印所述浸润性主动调节装置。
优选地，所述方法包括：S1，获取具有通过形变实现疏水和亲水功能的结构；S2，构建所述浸润性主动调节装置的三维模型，并确定所述主动调节装置中各结构的材料；S3，将所述三维模型导入4D打印系统中，并对所述三维模型进行切片而后根据切片后的材料确定打印头的运行轨迹。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的浸润性主动调节装置及其制备方法至少具有如下有益效果：
1.本申请将具有浸润特性的分叉结构和材料与形状记忆材料有机结合，通过形状记忆材料的形变控制浸润材料的结构，进而实现疏水和亲水结构的转换，控制简单，灵活性高；
2.本申请中的形状记忆材料可以为热致变形或电致变形，变形控制可以通过控制驱动结构的输入电流或电压实现，稳定精度高；
3.浸润性调节结构材料还可以为疏水聚氨酯或亲水丝素蛋白可以进一步提高微结构的亲水或疏水程度及灵敏度；
4.本申请的浸润性主动调节装置通过对浸润性调节结构变形量的控制可以实现对不同疏水或亲水程度的要求，满足不同功能性，响应性及响应动作的要求；
5.采用4D打印技术制备该浸润性主动调节装置，可以满足该调节装置不同的复杂程度的打印要求，并且可以实现一体化打印，不受结构限制，极大的拓展了该主动调节装置的应用范围；
6.与传统的工艺成形界面材料技术相比，通过4D打印技术避免了成形器件结构单一、功能固化以及响应尺度和响应范围无法调节的问题，可以构建具有复杂结构、多种响应性、多功能性以及响应时间和响应动作可调节等功能的智能界面材料和器件。
附图说明
图1示意性示出了根据本实施例的浸润性主动调节装置的结构示意图；
图2A示意性示出了根据本实施例的浸润性调节结构的一种分叉结构示意图；
图2B示意性示出了根据本实施例的图2A所示的剖面线A-A处的剖视图；
图2C示意性示出了根据本实施例的图2A所示浸润性调节结构变形后的结构示意图；
图3A示意性示出了根据本实施例的浸润性调节结构的另一种分叉结构示意图；
图3B示意性示出了根据本实施例的图3A所示浸润性调节结构变形后的结构示意图；
图3C示意性示出了根据本实施例的图3B所示的剖面线A-A处的剖视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100-基体结构，200-驱动结构，300-浸润性调节结构，310-内芯，320-浸润性材料，210-接口，400-小接触角液滴，500-大接触角液滴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2A、和图3B所示，本发明提供了一种浸润性主动调节装置，所述装置包括基体结构100、驱动结构200以及浸润性调节结构300。
其中，基体结构100的材料为任意一种3D打印非导电材料，本公开实施例中，可以为聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)、聚二甲基硅氧烷弹性体、水凝胶和硅胶等。
驱动结构200，其设于所述基体结构100的内部，其为导电材料，驱动结构200的材料可以为聚吡咯、聚乳酸/炭黑、聚乳酸/石墨烯中的一种或几种组合。基体结构100的表面可以设有用于向驱动结构200输入电流的接口210。
浸润性调节结构300设于所述基体结构100表面并与所述驱动结构200连接，所述浸润性调节结构300包括柱体以及连接于所述柱体端部并具有多个分支的头部，所述头部的多个分支在所述驱动结构200的传递的刺激信号的刺激下产生合拢或分开变形，进而实现疏水或亲水特性的调节。
具体的，如图2B和图3C所示，浸润性调节结构300包括内芯310以及覆盖于所述内芯310表面的浸润性材料320，所述内芯310的材料为形状记忆材料，具有形状记忆功能，变形可逆，所述内芯的截面形状可以根据变形需要进行设定，以使变形状态符合变形要求。如图2A和图2C以及图3A和图3B所示，所述浸润性调节结构300头部分支未变形时的结构为具有疏水功能的疏水微结构、变形后的结构为具有亲水功能的亲水微结构，或者所述浸润性调节结构300头部分支未变形时的结构为亲水微结构、变形后的结构为疏水结构，以此实现对浸润性调节结构300疏水和亲水特性及程度的控制。
本实施例中，所述内芯(310)可以为焦耳热效应显著的热电转换形状记忆材料，所述内芯(310)在驱动结构200刺激下将电能转换为热量产生变形。此时，所述形状记忆材料为热塑性聚氨酯、聚乳酸、聚己内酯等。
所述形状记忆材料还可以为压电效应驱动变形的材料，以在外界电场的作用下由于感应极化作用产生变形。此时，所述形状记忆材料为铁电聚合物，如碳纳米管/聚乳酸和/或聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物等，电致变形高分子碳纳米管/聚乳酸、石墨烯/热塑性聚氨酯等或介电弹性体等。
形状记忆材料因焦耳热效应或压电效应实现内芯的变形，通过控制加载于驱动结构200两端的外部电压的大小控制变形量。
本实施例中，所述浸润性材料320优选为疏水聚氨酯或亲水丝素蛋白，以进一步提高该调节装置的敏感性。
浸润性调节结构300的数量可以根据实际需要进行设定。每一浸润性调节结构300的头部的分叉结构(如图2A和图3A所示)的分叉数量不限，例如可以为4个、6个或8个分叉等，内芯310的形状根据变形需求进行设定。当小接触角液滴400下方浸润性调节结构300由亲水性结构逐渐转化成疏水性结构时，液滴逐渐转变为大接触角液滴500，此时液滴紧随亲水性结构区域移动，液滴被搬运至装置其他位置。
实施例1
本实施例中，所述基体结构100的外表面长度为1000mm，宽度为40mm，厚度为8mm，其内部设有驱动结构200，向驱动结构200输入电流的接口210的直径为0.3mm，浸润性调节结构300的高度为8mm，直径为2mm。未变形前为疏水性结构，变形终点为亲水结构。浸润性调节结构300的端部为多个分叉。
基体结构100的材料为聚乳酸，驱动结构200的材料为聚乳酸/炭黑，内芯310的材料为具有形状记忆功能的聚己内酯，浸润性材料320的材料为丝素蛋白。
向驱动结构200输入电压，驱动结构200将电流传递至与其连接的内芯310升温变形，使得浸润性调节结构300的疏水性逐渐向亲水性转换，待转换至所需的状态时维持电压不变，若需要最强的亲水性则持续增大电压，提高内芯310的变形程度至最大则该调节装置变为亲水性装置，若需要疏水则需要将电压撤去，使内芯310降温回复即可。
本公开实施例的另一方面提供了一种上述浸润性主动调节装置的制备方法，采用4D打印技术打印所述浸润性主动调节装置。
4D打印技术是一种可实现材料“编程”的新型3D打印技术，作为3D打印技术的延伸和拓展，4D打印技术不仅具有3D打印技术不受材料和结构限制的特点，同时在成形过程中在材料中可感知环境的材料，进而具有了驱动、逻辑和感知等能力。4D打印技术利用智能变形材料在外界刺激的条件下，如温度、光照、PH和磁场等，实现结构的折叠，扭转、膨胀等动作，同时利用3D打印技术可成形任意复杂形状，因此，4D打印是将智能变形材料与结构材料相结合制造具有自适应能力的特殊结构材料。
该浸润性主动调节装置的制备方法包括：
S1，获取具有通过形变实现疏水和亲水功能的结构。
本实施例中可以通过模拟具有超疏水性能的生物表面微结构，设计具有超疏水性的表面微结构，超疏水微结构内部设计为具有形状记忆性质的功能材料，其可以为变形前的初始结构。通过模拟具有超亲水性的生物表面微结构，设计具有超亲水的表面微结构，并将其作为变形的最终结构。根据微结构变形动作需要，将其排布于基体结构表面。
可以选取人厌槐叶萍叶片表面但不仅限于该生物表面，作为超疏水微结构设计优选生物耦合模本，基于反求工程构建超疏水微结构实体模型。选取紫花玻璃草表面但不仅限于该生物表面，作为超疏水微结构设计优选生物耦合模本，基于反求工程构建超亲水微结构实体模型。所述初始浸润性调节结构和最终浸润性调节结构，不仅限于从超疏水微结构转变为超亲水微结构，可根据实际需要，将变形中间态或任意变形量的微结构作为变形初始态和最终态。同样的任意变形形态的微结构额可以根据需要排布于装置基体表面。
S2，构建所述浸润性主动调节装置的三维模型，并确定所述主动调节装置中各结构的材料。
可以通过三维制图软件获取所述浸润性主动调节装置的三维模型。例如，采用热致变形形状记忆聚合物作为实现超疏水微结构变形的内芯；采用具有优良疏水性的材料作为构建超疏水微结构的材料；采用导电高分子材料传递控制信号控制内芯的运行。
S3，将所述三维模型导入4D打印系统中，并对所述三维模型进行切片而后根据切片后的材料确定打印头的运行轨迹。
与3D打印技术相同的方式，分别将不同的材料熔融挤出，打印完一层后，喷头升高，按照既定轨迹继续打印下一层，直至完成整个装置。
将打印完成的浸润性主动调节装置与外界可调电压连接即可实现对其亲水性或疏水性的控制。
通过调节外部电场电压信号的方式可以控制浸润性主动调节装置内部内芯的变形，随着加载电压的变化，分叉结构产生不同的变形量，并带动超疏水结构向超亲水结构的转变。当加载电压逐渐降低时，内芯逐渐回复变形，超亲水微结构逐渐变回超疏水微结构。
可以根据浸润性需求设置多个驱动结构200，每个驱动结构200由一电压源调节控制。因此可以按照顺序调节浸润性主动调节装置不同区域微结构的控制信号，控制微结构表面向亲水性结构移动，液滴被束缚在亲水性区域内并随着亲水性区域定向运动，实现液滴的定向主动运输。
所述4D打印技术可以为直写成形技术(DIW)或熔融沉积技术(FDM)，4D打印技术打印时所述的基体结构成形层厚为100μm-400μm，打印速度为10mm/s-100mm/s，所述驱动结构层厚为50μm-200μm，打印速度为10mm/s-50mm/s，所述内芯层厚为30μm-100μm，打印速度为10mm/s-50mm/s，所述微结构层厚为30μm-100μm，打印速度为10mm/s-50mm/s。挤出方式可选择气动式或柱塞式，加热温度设置为室温-200℃。根据材料成形的不同，可通过溶剂蒸发或熔融冷却的方式实现打印材料凝固成形。
实施例2
本实施例中，基体结构由聚乳酸材料制成，驱动结构由聚乳酸/炭黑制成，浸润性调节结构的内芯由形状记忆聚合物聚己内酯制成，浸润性主要通过改变浸润性调节结构的多个分支头部实现。
通过三维建模软件SolidWorks等建立浸润性主动调节装置三维模型，其中基体结构、驱动结构和浸润性调节结构分别以零件的形式组装成部件，完成三维模型的建立后导出STL格式文件。将STL文件导入到4D打印软件系统中，并分别制定不同结构所需打印材料和打印参数。装置基体层厚0.2mm，打印速度80mm/s；驱动结构层厚0.1mm，打印速度50mm/s；内芯层厚0.05mm，打印速度10mm/s；浸润性调节结构层厚0.05mm，打印速度10mm/s。完成打印参数设置后，软件系统对三维模型切片，生成运动轨迹，并控制4D打印机各个部件的运动。
4D打印机各个喷头根据所生成的运动轨迹运动，并通过熔融挤出的方式成形所需材料，完成单层的打印后，喷头上升一层。所打印装置若有悬空部位，需通过打印支撑结构保证打印精度。
重复以上步骤，逐层沉积各个材料，直至完成浸润性主动调节装置的4D打印成形。
完成上述浸润性主动调节装置的4D打印后，室温下通过加载外部载荷赋予浸润性调节结构初始形状。在打印导电结构末端连接直流电源，通过调节加载电压，导电材料由于焦耳热效应加热浸润性调节结构，组成浸润性调节结构的形状记忆材料由于形状记忆效应产生变形，并带动超疏水微结构转变成超亲水微结构。当断开电源时，器件温度降低，超亲水微结构回复为超疏水微结构。
实施例3
本实施例中基体结构由水凝胶材料制成，驱动结构由聚吡咯制成，浸润性调节结构由压电材料聚偏氟乙烯制成。
浸润性主动调节装置三维模型方法与实施例2中的相同。
将STL文件导入到4D打印软件系统中，并分别制定不同结构所需打印材料和打印参数。基体结构层厚0.1mm，打印速度50mm/s；驱动结构层厚0.1mm，打印速度10mm/s；内芯层厚0.02mm，打印速度5mm/s；微结构层厚0.02mm，打印速度5mm/s。完成打印参数设置后，软件系统对三维模型切片，生成运动轨迹，并控制4D打印机各个部件的运动。
分别用N，N-二甲基甲酰胺、氯仿溶剂溶解各个打印材料，通过磁力搅拌保持溶液的均匀性。4D打印机各个喷头根据所生成的运动轨迹运动通过柱塞式将溶液挤出，由于挤出材料尺寸较小，溶剂可迅速挥发，完成单层内各个材料的打印，打印完成后喷头上升一层。所打印装置若有悬空部位，需通过打印制成结构保证打印精度。
重复上述步骤，逐层沉积各个材料，完成浸润性主动调节装置的4D打印成形。
完成上述浸润性主动调节装置的4D打印后，在打印导电结构末端连接直流电源，通过调节加载电压的变化，电致变形材料产生不同程度的弯曲和伸缩变形，并带动超亲水微结构转变成超疏水微结构。当断开电源时，电致变形材料回复变形，超疏水微结构回复为超亲水微结构。综上所述，通过驱动结构驱动浸润性调节结构变形，进而实现对浸润性调节结构中的微结构的具体结构进行控制，由于浸润性中的疏水性和亲水性由微结构控制，因此浸润性调节结构的形变影响浸润性，通过驱动结构控制浸润性调节结构的变形量，进而控制微结构的疏水性或亲水性程度，以此方式实现浸润性的主动调节，简单方便，调节范围广。并通过4D打印技术进行制备，可以满足该调节装置不同的复杂程度的打印要求，并且可以实现一体化打印，不受结构限制，极大的拓展了该主动调节装置的应用范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种浸润性主动调节装置，其特征在于，所述装置包括：
基体结构(100)；
设于所述基体结构内部的驱动结构(200)，所述驱动结构(200)为导电材料；
设于所述基体结构(100)表面并与所述驱动结构(200)连接的浸润性调节结构(300)，所述浸润性调节结构(300)包括柱体以及连接于所述柱体端部并具有多个分支的头部，所述头部的多个分支在所述驱动结构(200)的传递的刺激信号的刺激下产生合拢或分开变形，进而实现疏水或亲水特性的调节，所述浸润性调节结构(300)包括内芯(310)以及覆盖于所述内芯(310)表面的浸润性材料(320)，所述内芯(310)的材料为形状记忆材料；所述浸润性材料(320)为疏水聚氨酯或亲水丝素蛋白，形状记忆材料因焦耳热效应或压电效应实现内芯的变形，通过控制加载于驱动结构(200)两端的外部电压的大小控制变形量。
2.根据权利要求1所述的浸润性主动调节装置，其特征在于，所述基体结构(100)表面上的所述浸润性调节结构(300)的数量为多个，所述驱动结构(200)的数量至少为一个。
3.根据权利要求1所述的浸润性主动调节装置，其特征在于，所述驱动结构(200)为热电转换结构，所述形状记忆材料为热量驱动变形的材料，所述驱动结构(200)在将电能转换为热量以加热所述形状记忆材料，使得所述形状记忆材料产生变形，进而实现合拢或分开。
4.根据权利要求3所述的浸润性主动调节装置，其特征在于，所述形状记忆材料为热塑性聚氨酯、聚乳酸、聚己内酯。
5.根据权利要求1所述的浸润性主动调节装置，其特征在于，所述形状记忆材料为压电效应驱动变形的材料，以在外界电场的作用下由于感应极化作用产生变形。
6.根据权利要求5所述的浸润性主动调节装置，其特征在于，所述形状记忆材料为铁电聚合物。
7.根据权利要求1所述的浸润性主动调节装置，其特征在于，驱动结构(200)的材料为聚吡咯、聚乳酸/炭黑、聚乳酸/石墨烯中的一种或几种组合。
8.一种权利要求1～7任意一项所述的浸润性主动调节装置的制备方法，其特征在于，采用4D打印技术打印所述浸润性主动调节装置。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
S1，获取具有通过形变实现疏水和亲水功能的结构；
S2，构建所述浸润性主动调节装置的三维模型，并确定所述主动调节装置中各结构的材料；
S3，将所述三维模型导入4D打印系统中，并对所述三维模型进行切片而后根据切片后的材料确定打印头的运行轨迹。
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