CN112625298B - 一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法及其应用，属于功能材料及流体控制技术领域。制备方法包括，首先制备柔性PDMS薄膜，然后在二维程控点胶机上，对柔性PDMS薄膜的粗糙面用倒角空心针头进行机械打孔，获得具备结构梯度的柔性PDMS薄膜。最后通过仿贻贝多巴胺足丝蛋白黏附修饰的方法，对具备结构梯度的柔性PDMS薄膜进行超疏气改性处理，得到一侧为超疏气‑大孔径、另一侧为亲气‑小孔径结构的具有双重特性的柔性Janus多孔表面材料。得到的柔性Janus多孔表面材料能现气泡从超疏气‑大孔径侧到亲气‑小孔径侧的单向导通，并实现气泡在水下的储存。本发明制备方法简单，实现了水下气泡的可控单向导通与输运储存功能，应用前景广泛。

Description

一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法及其 应用

技术领域

本发明属于功能材料及流体控制技术领域，具体涉及一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法及其应用。

背景技术

从大自然到工业生产过程，通过设计界面的结构来操纵流体的输运一直是一个重要的研究领域，流体的单向输运在水体净化、海水脱盐和电器能源等方面有着至关重要的应用。在工业生产中，气泡是一种较为简单的界面结构，在流体的管道输运、海洋船舶的腐蚀、发泡过程的控制气泡等领域起到很重要的输运作用，然而，气泡在水环境中可能会带来严重的腐蚀和堵塞，高冲击压力产生的气泡甚至可以摧毁固体材料的表面，因此，研究在水环境中气泡的可控输运具有重大的意义。

现有技术中，Janus多孔表面常常作为水的传输载体，为一侧亲水层和另一侧疏水层的单向浸润表面材料，多用于水体过滤和雾水收集等场景。但是在工业生产中，将Janus多孔表面材料作为气体的传输载体，实现气泡的单向传输和存储是目前亟待解决的一个技术难题。

发明内容

本发明的目的之一是提出了一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面材料。

本发明的目的之二是提出了制备具有双重特性的柔性Janus多孔表面的方法。

本发明的目的之三是具有双重特性的柔性Janus多孔表面材料的应用，通过同时具有结构梯度与浸润性梯度的柔性Janus多孔表面，实现了气体在水下的单向导通以及储存功能。

所述的一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一，制备柔性PDMS薄膜；

具体为：

步骤101，以10:1的质量比称取PDMS预聚物与交联剂，连续搅拌10min使其混合均匀，混合后密度为1.04g/mL；

步骤102，将混合后的PDMS预聚物与交联剂倒入底部贴好砂纸的培养皿中，制备出厚度为0.5mm的充满气泡的混合物。

步骤103，将充满气泡的混合物水平放置于真空干燥器中，常温下抽真空30min至气泡完全消失，然后水平密闭放置24h；

步骤104，将消除气泡的混合物水平放置于电热恒温鼓风干燥箱中，于70℃环境中加热固化2h，常温冷却后将砂纸剥离，获得一侧粗糙、另一侧光滑的柔性PDMS薄膜。

所述的柔性PDMS薄膜剥离砂纸的一侧为粗糙面，另外一侧为光滑面。

步骤二，将柔性PDMS薄膜粗糙面朝上、光滑面朝下固定在二维程控点胶机上，在点胶机的移动机械臂上安装好倒角空心针头，对柔性PDMS薄膜的粗糙面进行机械打孔，获得一侧为粗糙-大孔径结构、另一侧为光滑-小孔径结构的具备结构梯度的柔性PDMS薄膜。

倒角空心针头的倒角为30°。

步骤三，通过仿贻贝多巴胺足丝蛋白黏附修饰的方法，对具备结构梯度的柔性PDMS薄膜进行超疏气改性处理，得到具有单向导通和储存功能的双重特性的柔性Janus多孔表面材料；

所述的超疏气改性处理的过程具体为：

首先，按照1ml:0.002g的比例向氨基丁三醇-盐酸缓冲溶液中加入多巴胺，标记为溶液1；按照1ml:0.03g的比例向无水乙醇中添加正硅酸乙酯，标记为溶液2。

所述的氨基丁三醇-盐酸缓冲溶液的pH值为8.5。

然后，将具备结构梯度的柔性PDMS薄膜的光滑-小孔径侧固定于烧杯壁上，将溶液1 与溶液2按照体积比5:1的比例混合均匀并倒入烧杯中，室温下混合搅拌反应6小时，粗糙- 大孔径侧进行超疏气反应，得到一侧为超疏气-大孔径、另一侧为亲气-小孔径结构的具有双重特性的柔性Janus多孔表面材料。

制备的具有双重特性的柔性Janus多孔表面的应用方法如下：

1)气泡单向导通操作：

将制备完成的柔性Janus多孔表面材料固定于水下，向超疏气-大孔径侧注射气泡，能够在1s内实现气泡从超疏气-大孔径侧到亲气-小孔径侧的单向导通。

2)水下储气操作：

将制备完成的柔性Janus多孔表面材料固定于水下，并在亲气-小孔径侧固定好圆柱石英管，向超疏气-大孔径侧注射气泡，有气体柱存储在固体石英管内，实现气泡在水下的储存。

本发明的优点在于：

1、本发明提出一种具有水下气泡单向导通与储存功能的柔性Janus多孔表面的制备方法，所需原料环保无毒，制备方法简单稳定，改性方法成熟简便，且成本低较低，可实现量产。

2、本发明提出一种具有水下气泡单向导通与储存功能的柔性Janus多孔表面的制备方法，通过简单的机械打孔和仿贻贝多巴胺黏附改性处理两步法，仿生构筑出具有双重Janus特性的柔性PDMS多孔表面。

3、本发明制备出的一种具有水下气泡单向导通与储存功能的柔性Janus多孔表面，将结构梯度与浸润性梯度相结合，实现了水下气泡的可控单向导通与输运储存功能。

4、本发明提出一种具有水下气泡单向导通与储存功能的柔性Janus多孔表面的应用，为流体可控界面单向操控提供了灵感和方向，在仿生微通道模拟和微流体操控方面发挥了应用潜力，为水下微流体输运器件的开发和设计提供了实用价值和广泛的思路，拓展了界面科学领域的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例1水下气泡在超疏气处理前后的扫描电镜与气泡接触角照片；

图3为本发明实施例1中制备的柔性Janus多孔表面用于水下气泡在水平方向的单向导通示意图及视频截图；图3(a)为0～43s内由亲气-小孔径侧向超疏气-大孔径侧注射气泡，图3(b)为0～139s内由超疏气-大孔径侧向亲气-小孔径侧注射气泡；

图4为本发明实施例1中制备的不同孔径的柔性Janus多孔薄膜用于水下气泡的输运储存时最大储气高度的视频截图；

图5为本发明实施例2中制备的柔性Janus多孔薄膜用于水下气泡在竖直方向的单向导通示意图及视频截图；图5(a)为0～6.5s内由亲气-小孔径侧向超疏气-大孔径侧注射气泡，图5(b)为0～6s内由超疏气-大孔径侧向亲气-小孔径侧注射气泡。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法及其应用，利用机械打孔和仿贻贝多巴胺黏附改性处理的方法，成功构筑了同时具有结构梯度与浸润性梯度的柔性Janus多孔表面，气体可以在水下从超疏气-大孔径侧穿过柔性Janus多孔薄膜到达亲气-小孔径侧，而不能从亲气-小孔径侧穿透薄膜到达超疏气-大孔径侧，并且气泡可以以一定的高度储存于石英管内，实现了水下气泡的单向导通与输运储存。

一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一，制备柔性PDMS薄膜；

具体为：

步骤101，以10:1的质量比称取PDMS预聚物与交联剂，连续搅拌10min使其混合均匀，混合后密度为1.04g/mL；

步骤102，将混合后的PDMS预聚物与交联剂倒入底部贴好砂纸的培养皿中，制备出厚度为0.5mm的充满气泡的混合物。

步骤103，将充满气泡的混合物水平放置于真空干燥器中，常温下抽真空30min至气泡完全消失，然后水平密闭放置24h；

步骤104，将消除气泡的混合物水平放置于电热恒温鼓风干燥箱中，于70℃环境中加热固化2h，常温冷却后将砂纸剥离，获得一侧粗糙、另一侧光滑的柔性PDMS薄膜。

柔性PDMS薄膜剥离砂纸的一侧为粗糙面，另外一侧为光滑面。

步骤二，将柔性PDMS薄膜粗糙面朝上、光滑面朝下固定在二维程控点胶机上，在点胶机的移动机械臂上安装好定制专用倒角空心针头，使针尖朝下对柔性PDMS薄面的粗糙面进行机械打孔，获得一侧为粗糙-大孔径结构、另一侧为光滑-小孔径结构的具备结构梯度的柔性PDMS薄膜。

倒角空心针头的倒角为30°。

步骤三，通过仿贻贝多巴胺足丝蛋白黏附修饰的方法，对具备结构梯度的柔性PDMS薄膜进行超疏气改性处理，得到具有单向导通和储存功能的双重特性的柔性Janus多孔表面材料；

进行超疏气改性处理的过程具体为：

首先，按照1ml:0.002g的比例向氨基丁三醇-盐酸缓冲溶液(pH＝8.5)中加入多巴胺，标记为溶液1；按照1ml:0.03g的比例向无水乙醇中添加正硅酸乙酯，标记为溶液2。

然后，将具备结构梯度的柔性PDMS薄膜的光滑-小孔径侧固定于烧杯壁上，将溶液1 与溶液2按照体积比5:1的比例混合均匀并倒入烧杯中，室温下混合搅拌反应6小时，对粗糙-大孔径侧进行超疏气反应，即得到一侧为超疏气-大孔径、另一侧为亲气-小孔径结构的具有双重特性的柔性Janus多孔表面。

制备的具有双重特性的柔性Janus多孔表面的应用方法如下：

1)气泡单向导通操作：

将制备完成的柔性Janus多孔薄膜超固定于水下，向超疏气-大孔径侧注射气泡，能够在1s内实现气泡从超疏气-大孔径侧到亲气-小孔径侧的单向导通。

2)水下储气操作：

将制备完成的柔性Janus多孔薄膜超固定于水下，并在亲气-小孔径侧固定好定制的圆柱石英管，向超疏气-大孔径侧注射气泡，有气体柱存储在固体石英管内，实现气泡在水下的储存。

实施例1

实施例1为用于水体净化的PDMS载体柔性Janus多孔材料，其制备方法具体包括如下步骤：

步骤一，柔性PDMS薄膜的制备；

首先，以10:1的质量比称取PDMS预聚物与交联剂，不断搅拌10min使其混合均匀，混合后密度为1.04g/mL；

然后，将混合后的PDMS预聚物与交联剂倒入底部贴好砂纸的培养皿中，根据制备出厚度为0.5mm的充满气泡的混合物。

之后，将充满气泡的混合物水平放置于真空干燥器中，常温下抽真空30min至气泡完全消失，并继续在真空环境中水平密闭放置24h；

最后，将消除气泡的混合物水平放置于电热恒温鼓风干燥箱中，于70℃环境下加热固化2h，常温冷却后将砂纸剥离，得到一侧粗糙、一侧光滑的柔性PDMS薄膜。

步骤二，将柔性PDMS薄膜粗糙面朝上、光滑面朝下固定在二维程控点胶机上，在点胶机的移动机械臂上安装好倒角空心针头，对柔性PDMS薄膜的粗糙面进行打孔，得到一侧为粗糙-大孔径、另一侧为光滑-小孔径的具备结构梯度的柔性PDMS薄膜。

步骤三，对具备结构梯度的柔性PDMS薄膜进行超疏气改性处理，得到具有双重特性的柔性Janus多孔表面材料；

首先，取200mL氨基丁三醇-盐酸缓冲溶液向其中加入0.4g多巴胺，标记为溶液1。将 1.2g正硅酸乙酯溶解于40mL无水乙醇中，标记为溶液2。

然后，将柔性PDMS薄膜的光滑-小孔径侧固定于烧杯壁上，将溶液1与溶液2按体积比 5:1混合均匀并倒入烧杯中，室温下混合搅拌反应6小时，对粗糙-大孔径侧进行超疏气反应，得到一侧为超疏气-大孔径、另一侧为亲气-小孔径结构的具有双重特性的柔性Janus多孔表面材料，如图2(d)所示。

本实施例1中柔性PDMS薄膜超疏气处理前后的表面形貌表征与浸润性表征如图2所示，其中，图2(a)和图2(b)为超疏气处理前柔性多孔表面的扫描电镜照片，图2(c)为图2(a)中的某个孔在超疏气处理前柔性多孔表面的气泡接触角照片，其气泡接触角为82°；图2(d)和图2(e)为超疏气处理后柔性多孔表面的扫描电镜照片，图2(f)中指定的孔与图2(c)中为对应的同一个孔，在超疏气处理后柔性多孔表面的气泡接触角为152°。

通过图2(a)、图2(b)和图2(d)、图2(e)的对比可以看出，孔径呈梯度结构，且均匀整齐排列；在超疏气处理后表面粗糙度变大，且图2(e)中可以明显观察到爆米花状分级结构。通过图2(c)和图2(f)对比可以看出，在超疏气处理前后，同一个孔的气泡接触角明显变大，在气体传输时在超疏气侧有更好的疏气性，使气泡迅速实现从超疏气-大孔径侧输运到亲气-小孔径侧。

制备的具有双重特性的柔性Janus多孔表面的应用方法如下：

1)气泡单向导通操作；

将柔性Janus多孔表面材料固定于水面以下，用注射泵和疏气的针头以50μL/min的速率向超疏气-大孔径侧注射气泡，进行气泡的单向导通操作。

如图2所示，该实施例1中制备的柔性Janus多孔表面材料用于水下气泡的单向导通，由图2(a)可以看出，当由亲气-小孔径侧向超疏气-大孔径侧注射气泡时，气泡无法成功注射到超疏气-大孔径侧；由图2(b)可以看出，当由超疏气-大孔径侧向亲气-小孔径侧注射气泡时，气泡能够在1s内穿过薄膜表面，并且在一定时间内存储为大气泡。

2)水下储气操作；

将柔性Janus多孔表面材料固定于水面以下，用长尾夹在亲气-小孔径侧固定好定制的圆柱石英管，用注射泵和疏气的针头以50μL/min的速率向超疏气-大孔径侧注射气泡，进行储气操作。

如图4所示，制备的柔性Janus多孔表面材料用于水下气泡的储存视频截图，图4中为最大储气高度。在不同的专用倒角空心针头制备的具有相同孔间距(1.5mm)、不同孔径的柔性Janus多孔表面水下所能储存气柱的最大高度，不同的专用倒角空心针头型号分别为18G (外径1.260mm、内径0.992mm)、19G(外径1.020mm、内径0.752mm)、20G(外径0.900 mm、0.632mm)、21G(外径0.800mm、0.532mm)和22G(外径0.700mm、内径0.432mm)，对应的最大储气高度分别为23.55mm、33.82mm、39.64mm、45.33mm和53.70mm，由此可以看出，柔性Janus多孔表面材料进行气体输运时，能够实现气体的储存，并且当柔性Janus 多孔表面材料的孔径越大，最大储气高度越低。

实施例2

实施例2为用于海水脱盐的PDMS载体柔性Janus多孔材料，其制备方法具体为：

步骤一，柔性PDMS薄膜的制备；

首先，以10:1的质量比称取PDMS预聚物与交联剂，不断搅拌10min使其混合均匀，混合后密度为1.04g/mL；

然后，将PDMS预聚物与交联剂的混合物倒入底部贴好砂纸的培养皿中，制备出厚度为 0.5mm的充满气泡的混合物。

之后，将充满气泡的PDMS薄膜在真空干燥器中抽真空30min，并水平密闭放置24h；

最后，将消除气泡的混合物水平放置于电热恒温鼓风干燥箱中70℃下加热固化2h，常温冷却后将砂纸剥离，获得一侧粗糙、另一侧光滑的柔性PDMS薄膜。

步骤二，将柔性PDMS薄膜粗糙面朝上、光滑面朝下固定在二维程控点胶机上，在点胶机的移动机械臂上安装好倒角空心针头，对柔性PDMS薄膜的粗糙面进行打孔，得到一侧为粗糙-大孔径结构、另一侧为光滑-小孔径结构的具备结构梯度的柔性PDMS薄膜。

步骤三，对具备结构梯度的柔性PDMS薄膜进行超疏气改性处理，得到具有单向导通和储存功能的双重特性的柔性Janus多孔表面材料；

首先，取100mL氨基丁三醇-盐酸缓冲溶液，向其中加入0.2g多巴胺，标记为溶液1。将0.6g正硅酸乙酯溶解于20mL无水乙醇中，标记为溶液2。

然后，将柔性PDMS薄膜的光滑-小孔径侧固定于烧杯壁上，对粗糙-大孔径侧进行超疏气反应，将溶液1与溶液2混合均匀并倒入烧杯中，室温下混合搅拌反应6小时，得到一侧为超疏气-大孔径、另一侧为亲气-小孔径结构的具有双重特性的柔性Janus多孔表面材料。

制备的具有双重特性的柔性Janus多孔表面的应用方法如下：

1)气泡单向导通操作；

将柔性Janus多孔表面材料固定于水面以下，向超疏气-大孔径侧注射气泡，能够在1s内实现气泡从超疏气-大孔径侧到亲气-小孔径侧的单向导通。

2)水下储气操作；

将柔性Janus多孔表面材料固定于水面以下，在亲气-小孔径侧固定好圆柱石英管，向超疏气-大孔径侧注射气泡，有气体柱存储在固体石英管内，实现气泡在水下的储存。

如图3所示，制备的柔性Janus多孔薄膜用于水下气泡单向导通，由图3(a)所示，由亲气-小孔径侧向超疏气-大孔径侧注射气泡时，气泡无法通过薄膜进行输运；由图3(b)所示，当由超疏气-大孔径侧向亲气-小孔径侧注射气泡时，气泡能够在1s内穿过薄膜，并在亲气-小孔径实现存储。

Claims (6)

1.一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一，制备柔性PDMS薄膜；

具体为：

步骤101，以10:1的质量比称取PDMS预聚物与交联剂，连续搅拌10min使其混合均匀，混合后密度为1.04 g/mL；

步骤102，将混合后的PDMS预聚物与交联剂倒入底部贴好砂纸的培养皿中，制备出厚度为0.5 mm的充满气泡的混合物；

步骤103，将充满气泡的混合物水平放置于真空干燥器中，常温下抽真空30 min至气泡完全消失，然后水平密闭放置24 h；

步骤104，将消除气泡的混合物水平放置于电热恒温鼓风干燥箱中，于70 ℃环境中加热固化2 h，常温冷却后将砂纸剥离，获得一侧粗糙、另一侧光滑的柔性PDMS薄膜；

步骤二，将柔性PDMS薄膜粗糙面朝上、光滑面朝下固定在二维程控点胶机上，在点胶机的移动机械臂上安装好倒角空心针头，对柔性PDMS薄膜的粗糙面进行机械打孔，获得一侧为粗糙-大孔径结构、另一侧为光滑-小孔径结构的具备结构梯度的柔性PDMS薄膜；

步骤三，通过仿贻贝多巴胺黏附修饰的方法，对具备结构梯度的柔性PDMS薄膜进行超疏气改性处理，得到具有单向导通和储存功能的双重特性的柔性Janus多孔表面材料；

所述的超疏气改性处理的过程具体为：

首先，按照1ml: 0.002g的比例向氨基丁三醇-盐酸缓冲溶液中加入多巴胺，标记为溶液1；按照1ml: 0.03g的比例向无水乙醇中添加正硅酸乙酯，标记为溶液2；

然后，将具备结构梯度的柔性PDMS薄膜的光滑-小孔径侧固定于烧杯壁上，将溶液1与溶液2按照体积比5:1的比例混合均匀并倒入烧杯中，室温下混合搅拌反应6小时，粗糙-大孔径侧进行超疏气反应，得到柔性Janus多孔表面材料。

2.如权利要求1所述的一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法，其特征在于，所述的柔性PDMS薄膜剥离砂纸的一侧为粗糙面，另外一侧为光滑面。

3.如权利要求1所述的一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法，其特征在于，所述的倒角空心针头的倒角为30°。

4.如权利要求1所述的一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法，其特征在于，所述的氨基丁三醇-盐酸缓冲溶液的pH值为8.5。

5.根据权利要求1所述的一种具有双重特性的柔性Janus多孔表面的制备方法得到的柔性Janus多孔表面材料，其特征在于，所述的柔性Janus多孔表面材料的结构为：一侧为超疏气-大孔径、另一侧为亲气-小孔径；且柔性Janus多孔表面材料具有双重特性，双重特性分别为气泡单向导通功能和储气功能。

6.根据权利要求5所述的柔性Janus多孔表面材料的应用方法，其特征在于，具体应用如下：

1）气泡单向导通操作：

将制备完成的柔性Janus多孔表面材料固定于水下，向超疏气-大孔径侧注射气泡，能够在1s内实现气泡从超疏气-大孔径侧到亲气-小孔径侧的单向导通；

2）水下储气操作：

将制备完成的柔性Janus多孔表面材料固定于水下，并在亲气-小孔径侧固定好圆柱石英管，向超疏气-大孔径侧注射气泡，有气体柱存储在固体石英管内，实现气泡在水下的储存。

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