CN113025051A - 一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法及无磁性制备装置 - Google Patents

Abstract

一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，涉及磁流变弹性体微结构表面的制作方法及装置技术领域，包括：步骤1、制备混合溶液；步骤2、喷涂，并形成尖状微结构；步骤3、利用无磁性制备装置，制备蘑菇头状微结构；步骤4、加热，使有机溶剂硅油挥发。无磁性制备装置包括H形支架、压板、托盘、直线导向机构、及间距微调机构。本发明制备的柔性磁控蘑菇头表面不仅具有可靠的润湿性能转换能力，还具有瞬时响应性和远程控制能力，且调控过程仅使用磁铁就可完成。本发明的无磁性制备装置，能通过调节上顶螺钉的旋转，主动实现微结构表面与压板之间距离的精确调控，从而调节蘑菇头状微结构的尺寸。

Description

一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法及无磁性制备装置

技术领域

本发明涉及磁流变弹性体微结构表面的制作方法及装置技术领域，具体涉及一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法及无磁性制备装置。

背景技术

近年来，具有微纳米结构的超疏水表面逐步进入了研究者的视野中，其表面的微纳米级复合结构减少了液滴和表面的接触面积，从而阻止了液滴对表面的浸润，使得表面表现出超疏水特性。随着研究的不断深入，越来越多的具备超疏水性能的材料和表面在生产和生活中也有了广泛的应用，包括液滴操纵、防污、防冰、自清洁等。

随着智能技术的发展，对具有智能润湿性能切换功能的表面有着强烈的需求。此类表面通常通过响应外部刺激，进而改变微观结构和表面化学性能，以此表现出润湿性切换能力。目前已经有利用光照、温度、PH值等外部刺激来可逆性地改变表面微观形貌以实现润湿性能可逆切换的方法，但其响应过程较为缓慢；而电场虽能实现瞬时响应，但又存在耗能、安全性等问题。此外，这些具有动态可控的微结构大多数涉及精密制造技术、电化学技术、光刻技术等相对复杂的制备过程，成本高且耗时大。因此，如何在实现瞬时调控润湿性能转换的同时，保证工艺的简单性以及适用性，是目前所面对的挑战。

磁场调控拥有便利性、瞬时响应性、远程可控性以及安全性等众多优点，许多科研人员尝试通过调节磁场来控制各种磁敏智能软材料(主要包括磁流变胶体和磁流变弹性体)的表面润湿性能。其中，磁流变胶体因其属于流体范畴，易流动且发黏，所以适用性较低；而磁流变弹性体由高弹性聚合物基体及分散在其中的微纳米级磁性颗粒组成，可以通过磁场变化快速改变物理特性，是智能材料未来技术发展的一项趋势与热点。

目前，制作具有类似蘑菇头形状微结构的磁流变弹性体微结构表面的方法有软模法和刮涂法。这些方法的缺陷在于：利用软模法制备类似蘑菇头状微结构需要昂贵的机器和模板，制备成本高，步骤复杂并且不易脱模；利用刮涂法自组装工艺制备类似蘑菇头状微结构难以控制微结构与压板之间的距离，从而难以调控微结构的尺寸。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法及无磁性制备装置，目的在于去除制备工艺过程中昂贵的机器与模板、复杂的步骤，提高脱模的简单性，在保证简单易操作的基础上，实现微结构与压板之间距离的主动精细调节，进而可以主动调节蘑菇头状微结构的尺寸。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，包括：步骤1、将聚二甲基硅氧烷前体与固化剂按照质量比10:1比例混合，然后加入有机溶剂硅油剧烈搅拌，使聚二甲基硅氧烷溶解其中，之后，再次加入铁粉颗粒并剧烈搅拌，形成均匀的混合溶液；步骤2、利用喷涂工具将混合溶液喷在置于磁铁之上的基底上，由于磁场的作用，铁粉颗粒在未固化的聚二甲基硅氧烷混合物中自发的沿磁场线进行排列，并在基底上表面形成微米级的阵列尖状微结构；步骤3、所述的磁铁、基底构成磁驱动自组装单元，所述的磁驱动自组装单元可拆卸安装于无磁性制备装置内，利用无磁性制备装置，将尖状微结构挤压成蘑菇头状微结构，并在磁场的作用下保持形状稳定；步骤4、将整个无磁性制备装置及磁驱动自组装单元放入恒温加热箱中加热，使有机溶剂硅油挥发，同时让蘑菇头状微结构中的聚二甲基硅氧烷完成固化，并与底部基底连接在一起形成试样；步骤5、将整个无磁性制备装置及磁驱动自组装单元从恒温加热箱中取出，并从无磁性制备装置中取出试样。

优选的，所述的磁铁为圆柱形钕铁硼磁铁，磁铁的直径为20mm，高度为30mm，表面磁场强度0.55T；所述的基底为圆形聚二甲基硅氧烷薄片，所述基底的直径为20mm，厚度为1mm。

优选的，所述的铁粉颗粒的平均粒子直径为1～10μm；所述的喷涂工具为气压空气喷枪，喷枪的喷笔直径为0.5mm。

优选的，所述的无磁性制备装置包括H形支架、搭接在H形支架顶端的压板、设于H形支架的中间横板上端面的托盘、直线导向机构、及间距微调机构，所述的压板及中间横板均沿水平方向设置，所述的直线导向机构设于托盘的两侧，并限定托盘仅能沿纵向的直线轨迹移动，所述的间距微调机构设于托盘的底部，并通过间距微调机构调节托盘上下移动的距离，所述的托盘的上表面中部设有用以容纳磁铁底部的限位孔，所述的磁铁的顶端设有基底，所述的压板为聚四氟乙烯材料制成，所述的H形支架、托盘、直线导向机构、及间距微调机构均由非铁磁材料制成。

优选的，所述的直线导向机构包括沿纵向对称设置于中间横板上表面两侧的导柱、以及滑动连接于导柱外表面的直线轴承，所述的直线轴承通过紧定螺钉与托盘的两侧端面固定连接。

优选的，所述的间距微调机构为设于托盘下表面中心位置处的升降装置。

优选的，所述的升降装置包括设于托盘下表面中心位置且与托盘同轴的安装孔、过盈配合于安装孔内的滚动轴承、与安装孔相对设置于中间横板上的内螺纹通孔、螺接于内螺纹通孔内的上顶螺钉，所述的上顶螺钉的顶端与滚动轴承的内圈过盈配合，底端位于中间横板的下方，并构成间距微调的旋柄。

优选的，所述的上顶螺钉由黄铜制成，尺寸为M10×0.5，长度为32mm。

优选的，所述的限位孔两侧的托盘上还对称设有贯通上下端面的卸料孔。

本发明一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法及无磁性制备装置具有如下有益效果：

1.本发明工艺制备出的柔性磁控蘑菇头表面不仅具有可靠的润湿性能转换能力，还具有瞬时响应性和远程控制能力，且调控过程仅使用磁铁就可完成。

2.本发明的柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，工艺简单，只需要简单的动手操作、较便宜的器材和无毒无害材料就可以完成制备，避免了高昂的设备、模板以及耗材。

3.本发明的无磁性制备装置，材料全部选用无磁性材料，避免了对磁场的影响。

4.本发明的无磁性制备装置，能通过调节上顶螺钉的旋转，主动实现微结构表面与压板之间距离的精确调控，从而调节蘑菇头状微结构的尺寸。

附图说明

图1、本发明的工艺流程示意图；

图2、本发明无磁性制备装置的结构示意图；

图3、本发明无磁性制备装置的立体图；

图4、柔性磁控蘑菇头表面的实物图；

图5、蘑菇头状微结构的微观形貌图；

图6、蘑菇头状微结构的最大直径分布范围图；

图7、柔性磁控蘑菇头表面在不同磁场情况下的接触角示意图；

1、混合溶液，2、喷涂工具，3、磁驱动自组装单元，31、磁铁，32、基底，33、尖状微结构，34、蘑菇头状微结构，4、无磁性制备装置，41、主体框架，411、压板，412、H形支架，4121、中间横板，42、直线导向机构，421、导柱，422、直线轴承，423、紧定螺钉，43、间距微调机构，431、内螺纹通孔，432、滚动轴承，433、上顶螺钉，44、托盘，45、卸料孔。

具体实施方式

以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，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。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1、

一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，包括：步骤1、将聚二甲基硅氧烷前体与固化剂按照质量比10:1比例混合，然后加入有机溶剂硅油剧烈搅拌，使聚二甲基硅氧烷溶解其中，之后，再次加入铁粉颗粒并剧烈搅拌，形成均匀的混合溶液1；步骤2、利用喷涂工具2将混合溶液1喷在置于磁铁31之上的基底32上，由于磁场的作用，铁粉颗粒在未固化的聚二甲基硅氧烷混合物中自发的沿磁场线进行排列，并在基底上表面形成微米级的阵列尖状微结构33；步骤3、所述的磁铁、基底构成磁驱动自组装单元3，所述的磁驱动自组装单元3可拆卸安装于无磁性制备装置4内，利用无磁性制备装置4，将尖状微结构33挤压成蘑菇头状微结构34，并在磁场的作用下保持形状稳定；步骤4、将整个无磁性制备装置4及磁驱动自组装单元3放入恒温加热箱中加热，使有机溶剂硅油挥发，同时让蘑菇头状微结构中的聚二甲基硅氧烷完成固化，并与底部基底连接在一起形成试样；步骤5、将整个无磁性制备装置及磁驱动自组装单元3从恒温加热箱中取出，并从无磁性制备装置中取出试样；

所述的磁铁为圆柱形钕铁硼磁铁，磁铁的直径为20mm，高度为30mm，表面磁场强度0.55T；

所述的基底为圆形聚二甲基硅氧烷薄片，所述基底的直径为20mm，厚度为1mm；

所述的铁粉颗粒的平均粒子直径为1～10μm；

所述的喷涂工具为气压空气喷枪，喷枪的喷笔直径为0.5mm。

本实施例中，聚二甲基硅氧烷的型号为道康宁Sylgard 184，作用为固化后形成微结构的主体结构；铁粉颗粒的主要作用为固化在聚二甲基硅氧烷中，对磁场产生响应。有机溶剂硅油为道康宁OS-20硅油，作用为溶解粘稠的聚二甲基硅氧烷，并在聚二甲基硅氧烷加热固化时挥发被去除；喷涂工具2为的气泵型号为AF18-2，作用为将混合溶液均匀地喷涂到基底32的上表面；磁铁31选择N35H型号圆柱形钕铁硼磁铁，其作用为施加磁力场，驱动试样中的铁颗粒沿磁场线自发地顺序排列，形成微结构；基底32的作用为用作微结构的基底。

进一步的，尖状微结构33的生成过程为：以聚二甲基硅氧烷薄片作为基底32，通过喷涂工具2在基底32上喷涂混合溶液1，在磁铁31所生成的磁力场的作用下，铁颗粒在聚二甲基硅氧烷中自发地沿磁场线顺序排列，生成尖状微结构。

进一步的，蘑菇头状微结构34是利用无磁性制备装置4制备的形状为蘑菇头状的微结构，在尖状微结构33与无磁性制备装置4接触并进一步被挤压后，生成蘑菇头状微结构。

实施例2、

所述的无磁性制备装置4包括H形支架412、搭接在H形支架412顶端的压板411、设于H形支架412的中间横板上端面的托盘44、直线导向机构42、及间距微调机构43，所述的压板411及中间横板4121均沿水平方向设置，所述的直线导向机构设于托盘44的两侧，并限定托盘44仅能沿纵向的直线轨迹移动，所述的间距微调机构43设于托盘44的底部，并通过间距微调机构调节托盘44上下移动的距离，所述的托盘44的上表面中部设有用以容纳磁铁底部的限位孔，所述的磁铁的顶端设有基底32；所述的压板411为聚四氟乙烯材料制成，所述的H形支架412、托盘44、直线导向机构42、及间距微调机构43均由非铁磁材料制成；

所述的直线导向机构包括沿纵向对称设置于中间横板4121上表面两侧的导柱421、以及滑动连接于导柱421外表面的直线轴承422，所述的直线轴承422通过紧定螺钉423与托盘44的两侧端面固定连接；

所述的间距微调机构为设于托盘44下表面中心位置处的升降装置；

所述的升降装置包括设于托盘下表面中心位置且与托盘同轴的安装孔、过盈配合于安装孔内的滚动轴承、与安装孔相对设置于中间横板上的内螺纹通孔、螺接于内螺纹通孔内的上顶螺钉433，所述的上顶螺钉433的顶端与滚动轴承的内圈过盈配合，底端位于中间横板的下方，并构成间距微调的旋柄；

所述的上顶螺钉433由黄铜制成，尺寸为M10×0.5，长度为32mm；

所述的限位孔两侧的托盘上还对称设有贯通上下端面的卸料孔45。

本实施例中，通过喷涂使基底32的上表面生成尖状微结构33，通过间距微调机构43使尖状微结构33的顶端与压板411的下表面挤压，形成蘑菇头状微结构34。由于聚四氟乙烯为低表面能材料，因此在试样固化后脱模时，蘑菇头状微结构34和压板411之间容易脱离。

进一步的，H形支架412为整个制备装置的主体结构，材料选择铝合金，在中间横板的中心位置，开设M10×0.5的内螺纹通孔431，与上顶螺钉433配套。在内螺纹通孔431两侧，有对称分布的两个M6的非贯穿定位孔，孔深10mm，用来垂直插入导柱421，固定导柱421的位置。

进一步的，导柱421的材料选择铝合金，直径为6mm，长度为46mm，安装在中间横板两侧的定位孔中，其作用为固定直线轴承422的运动轨迹，使直线轴承422沿着垂直方向直线上下移动。

进一步的，直线轴承422选择铝合金箱式滑块直线轴承，材料为铝合金或塑料，内径为6mm，通过8个紧定螺钉423固定安装在托盘44两侧面，由于其中间穿过了导柱421，因此其运动轨迹固定，沿导柱421垂直直线上下移动。

进一步的，紧定螺钉423的材料选择黄铜，直径为4mm，长度为20mm，主要作用为将直线轴承422固定在托盘44两侧面。

进一步的，托盘44的材料选择铝合金，其主要作用为连接上顶螺钉433、滚动轴承432、直线轴承422和磁铁31，在托盘44上下两面中间位置分别有两个非贯穿孔，上面的孔直径为20.5mm，深度为10mm，用来放置磁铁的底部，即限位孔；下面的孔直径为20mm，深度为6mm，用来安装滚动轴承432，即安装孔。在中间孔的两侧对称分布有两个直径24mm的通孔，即卸料孔45，其主要作用是去除托盘44中无用部分，减小托盘44的整体重量。在托盘44的两侧面各有四个均匀分布的螺纹孔，直径为4mm，深度为5mm，用来安装紧定螺钉423，将直线轴承422固定在两侧面上。

进一步的，滚动轴承432选择POM塑料深沟球轴承，内径为9mm，外径为20mm，厚度6mm，安装在托盘44底部中间位置的安装孔中。内径比相配合的上顶螺钉433的直径小1mm，从而可以将上顶螺钉433紧入轴承内圈中。滚动轴承432的主要作用为内圈跟随上顶螺钉433的旋转而旋转，外圈固定在托盘44的安装孔中，大大减小摩擦力。

进一步的，上顶螺钉433的材料选择黄铜，尺寸为M10×0.5，长度为32mm，非标准件，通过车床和丝锥自行加工。其作用为每顺时针或者逆时针旋转一圈，顶着托盘44上移或者下移0.5mm，从而带动托盘上下移动。通过调节旋转圈数，可以调控尖状微结构33和顶部压板411的距离，达到形成蘑菇头状微结构34并调节微结构尺寸的目的。

本实施例中的无磁性制备装置使用方法：将制备好的磁驱动自组装单元3通过托盘44中间的限位孔安装在H形支架412内，然后放置压板411于H形支架412上，之后调节上顶螺钉433，每旋转一圈，托盘44便带动磁驱动自组装单元3上/下移动0.5mm。通过精细调节上顶螺钉433，可以实现磁驱动自组装单元3和压板411之间距离的精细调节，从而完成柔性磁控蘑菇头表面的制备。

实验例、

首先将PDMS(聚二甲基硅氧烷)前体与固化剂按照质量比9g:0.9g比例混合，然后加入有机溶剂OS-20硅油30mL，剧烈搅拌10min，使PDMS溶解其中。之后，再次加入铁粉颗粒15g并剧烈搅拌5min，形成均匀的混合溶液1。然后，如图1所示，利用喷涂工具2(喷笔直径0.5mm)将混合溶液1喷在置于圆柱形钕铁硼磁铁31(型号N35H，直径20mm，高度30mm)之上的圆形基底32(直径20mm，厚度1mm)上，由于磁场的作用，铁颗粒在未固化的PDMS混合物中自发的沿磁场线进行排列，在基底32上形成微米级的阵列尖状微结构33。喷涂完成后，利用图2所示的无磁性制备装置4(自接触后，旋转0.5圈，即上移0.25mm)，将尖状微结构33挤压成蘑菇头状微结构34，并在磁场的作用下保持形状的稳定。最后，将整个装置放入恒温加热箱中加热(温度为60℃，加热时长12h)，使得有机溶剂OS-20硅油挥发，同时让蘑菇头状微结构34中的PDMS完成固化，并与底部基底32连接在一起。加热固化完成后，便可以取下试样，此时的试样形貌已经固定，不再需要辅助工具维持。其中，固化后的PDMS构成了蘑菇头状微结构34的主体，铁颗粒起到磁响应的作用。至此，完成制备工艺过程。

如图4所示，该柔性磁控蘑菇头表面由于其基底和微结构的主体都是弹性体，因此可以适应不平整的表面，实现任意较大角度的凹凸弯曲，保持稳定，并在不受任何外力时恢复原有形貌，具有非常强的适用性。

如图5所示，利用换成扫描电镜拍摄的倾斜状态下的蘑菇头状微结构的微观形貌。如图6所示，微结构的最大直径分布范围在220微米到382微米左右，平均直径在290微米左右。

如图7所示，该柔性磁控蘑菇头表面可以随磁场变化可逆性地表现出不同的润湿性能。在无磁场情况下，由于其微结构较为柔软，在液滴重力下变弯曲，表现为“塌陷状态”，此时液滴与微结构之间接触面积较大，接触角为119°；在有垂直磁场情况下(0.5T)，由于微结构中含有磁性颗粒，受到磁场力的作用刚度变大，表现为“直立状态”，此时，液滴与微结构之间接触面积较小，接触角增大为142°；在磁场方向接近水平的情况下，微结构响应磁场变化，其方向与外界磁场方向保持一致，表现为“倾斜状态”，此时液滴与微结构之间接触面积较大，接触角减小为118°。因此，该柔性磁控蘑菇头表面可以随外界磁场变化表现出可逆性的接触角变化。

Claims (10)

1.一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，其特征为，包括：步骤1、将聚二甲基硅氧烷前体与固化剂按照质量比10:1比例混合，然后加入有机溶剂硅油剧烈搅拌，使聚二甲基硅氧烷溶解其中，之后，再次加入铁粉颗粒并剧烈搅拌，形成均匀的混合溶液；步骤2、利用喷涂工具将混合溶液喷在置于磁铁之上的基底上，由于磁场的作用，铁粉颗粒在未固化的聚二甲基硅氧烷混合物中自发的沿磁场线进行排列，并在基底上表面形成微米级的阵列尖状微结构；步骤3、所述的磁铁、基底构成磁驱动自组装单元，所述的磁驱动自组装单元可拆卸安装于无磁性制备装置内，利用无磁性制备装置，将尖状微结构挤压成蘑菇头状微结构，并在磁场的作用下保持形状稳定；步骤4、将整个无磁性制备装置及磁驱动自组装单元放入恒温加热箱中加热，使有机溶剂硅油挥发，同时让蘑菇头状微结构中的聚二甲基硅氧烷完成固化，并与底部基底连接在一起形成试样；步骤5、将整个无磁性制备装置及磁驱动自组装单元从恒温加热箱中取出，并从无磁性制备装置中取出试样。

2.如权利要求1所述的一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，其特征为，所述的磁铁为圆柱形钕铁硼磁铁，磁铁的直径为20mm，高度为30mm，表面磁场强度0.55T；所述的基底为圆形聚二甲基硅氧烷薄片，所述基底的直径为20mm，厚度为1mm。

3.如权利要求1所述的一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，其特征为，所述的铁粉颗粒的平均粒子直径为1～10μm；所述的喷涂工具为气压空气喷枪，喷枪的喷笔直径为0.5mm。

4.如权利要求1所述的一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，其特征为，所述的磁铁、基底构成磁驱动自组装单元，所述的磁驱动自组装单元可拆卸安装于无磁性制备装置内。

5.如权利要求1所述的一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，其特征为，所述的无磁性制备装置包括H形支架、搭接在H形支架顶端的压板、设于H形支架的中间横板上端面的托盘、直线导向机构、及间距微调机构，所述的压板及中间横板均沿水平方向设置，所述的直线导向机构设于托盘的两侧，并限定托盘仅能沿纵向的直线轨迹移动，所述的间距微调机构设于托盘的底部，并通过间距微调机构调节托盘上下移动的距离，所述的托盘的上表面中部设有用以容纳磁铁底部的限位孔，所述的磁铁的顶端设有基底，所述的压板为聚四氟乙烯材料制成，所述的H形支架、托盘、直线导向机构、及间距微调机构均由非铁磁材料制成。

6.如权利要求5所述的一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，其特征为，所述的直线导向机构包括沿纵向对称设置于中间横板上表面两侧的导柱、以及滑动连接于导柱外表面的直线轴承，所述的直线轴承通过紧定螺钉与托盘的两侧端面固定连接。

7.如权利要求5所述的一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，其特征为，所述的间距微调机构为设于托盘下表面中心位置处的升降装置。

8.如权利要求7所述的一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，其特征为，所述的升降装置包括设于托盘下表面中心位置且与托盘同轴的安装孔、过盈配合于安装孔内的滚动轴承、与安装孔相对设置于中间横板上的内螺纹通孔、螺接于内螺纹通孔内的上顶螺钉，所述的上顶螺钉的顶端与滚动轴承的内圈过盈配合，底端位于中间横板的下方，并构成间距微调的旋柄。

9.如权利要求8所述的一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，其特征为，所述的上顶螺钉由黄铜制成，尺寸为M10×0.5，长度为32mm。

10.如权利要求5-9任一所述的一种柔性磁控蘑菇头表面的制备方法，其特征为，所述的限位孔两侧的托盘上还对称设有贯通上下端面的卸料孔。

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