CN114250457A - 一种能够实现液滴超快速传输的Janus-梯度复合润湿性铜丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够实现液滴超快速传输的Janus‑梯度复合润湿性铜丝及其制备方法，属于一维Janus‑梯度表面制备技术领域。首先对铜丝进行预处理，然后配制碱氨溶液对铜丝进行刻蚀，得到超亲水铜丝；最后利用液相改性法对超亲水铜丝进行修饰，得到Janus‑梯度复合润湿性铜丝。液相改性法所用的修饰剂是十八烷基硫醇与无水乙醇的混合溶液。制备得到的Janus‑梯度复合润湿性铜丝表面为纳米针状，一端为超疏水端，另一端为超亲水端；从超疏水端到超亲水端，铜丝表面的润湿性呈现梯度的变化。当液滴位于超疏水端时，能够自动向超亲水端移动，且平均传输速度可达6cm/s～13cm/s。本发明制备工艺简单，制得的复合润湿性铜丝具备双重特性，能够实现微液滴超快速长距离定向运输。

Description

一种能够实现液滴超快速传输的Janus-梯度复合润湿性铜丝 及其制备方法
技术领域
本发明属于一维Janus-梯度表面制备技术领域，具体为一种能够实现液滴超快速传输的Janus-梯度复合润湿性铜丝及其制备方法。
背景技术
润湿通常是指固体表面上的气体被液体取代的过程。在实际应用领域，对表面润湿性的要求也不再仅限于传统的亲疏水性，具有特殊润湿性的表面材料变得越来越重要。受自然界中生物的启发，科学家们设计制备了各式各样的具有特殊浸润性的表面进而实现液滴的定向传输，例如蜘蛛丝、仙人掌、沙漠甲壳虫、瓶子草、猪笼草和水鸟喙等。以自然为智慧之源，典型生物界面的定向液体动力学，开启了新的灵感之门。许多天然材料通过控制其微/纳米表面结构与水的相互作用，即润湿性，能够定向自发地驱动水。
然而，传统的浸润性表面存在液滴传输阻力较大、接触角滞后效应大、制备工艺复杂、成本高以及表面微纳米结构不稳定等问题，大大限制了液滴传输控制在各个领域的应用。如何以一种简单快捷的方式实现液滴的超快速传输以及能够进行大规模制备，是当下表界面浸润性研究的热点。
发明内容
本发明提供了一种能够实现液滴超快速传输的Janus-梯度复合润湿性铜丝及其制备方法，实现环保无污染的大规模制备，同时实现空气中超快速的液滴定向运输与良好的水雾收集性能。
一种能够实现液滴超快速传输的Janus-梯度复合润湿性铜丝的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，对铜丝进行预处理；
预处理过程为：
首先，将直径为0.3mm～1mm的铜丝磨直后依次浸泡在一定浓度的丙酮、无水乙醇和去离子水中，各超声清洗频率为20kHz～40kHz，清洗10～15min后将铜丝取出；
然后，将清洗后的铜丝浸入一定浓度的盐酸溶液中5s～15s后取出，以去除氧化层；
最后，用去离子水冲洗铜丝表面残留的盐酸溶液，并在20～30℃下干燥10～30min，完成对铜丝的预处理。
所述丙酮和盐酸溶液的浓度均为1mol/L。
步骤二，利用碱氨溶液对预处理后的铜丝进行刻蚀，得到超亲水铜丝。
刻蚀的过程具体为：
首先，配制碱氨溶液：将4g氢氧化钠和1.14g过硫酸氨同时加入100mL去离子水中，搅拌溶解，得到碱氨溶液。
然后，将预处理后的铜丝放入碱氨溶液中，刻蚀10～30min后取出；
最后，用无水乙醇清洗后，室温下晾干，得到表面覆盖有Cu(OH)2纳米针的超亲水铜丝。
步骤三，采用液相改性法对超亲水铜丝进行修饰，得到Janus-梯度复合润湿性铜丝。
具体过程为：
首先，将十八烷基硫醇溶于无水乙醇中，形成修饰剂；
然后，将超亲水铜丝放置在倾斜角度小于等于40°的玻璃片上，用微量注射泵以1000μL/min的速度在铜丝底端连续滴入2d～7d修饰剂，对接触修饰剂部分的铜丝表面进行修饰；
最后，用无水乙醇冲洗铜丝，室温晾干后，得到Janus-梯度复合润湿性铜丝。
修饰剂的浓度为10mmol/L～100mmol/L。
Janus-梯度复合润湿性铜丝：表面为纳米针状，一端为超疏水端，另一端为超亲水端；从超疏水端到超亲水端，铜丝表面的润湿性呈现梯度的变化，疏水区域的截面和亲水区域的截面为等腰三角形的形状，疏水区域的定向传输以类似等腰三角形的形式逐渐减小，亲水区域的定向传输以类似等腰三角形的形式逐渐增大。
将Janus-梯度复合润湿性铜丝应用于液滴超快速传输，具体过程为：
将体积为5μL～10μL的微液滴置于Janus-梯度复合润湿性铜丝的超疏水端，液滴自动向超亲水端传输，当前液滴在铜丝上的传输距离为2～4cm，平均传输速度为6cm/s～13cm/s。
本发明的优点在于：
1、本发明Janus-梯度复合润湿性铜丝的制备方法，采取特定的装置，工艺简单，可控性强，原料易得，无毒环保，成本低廉，能够进行大规模生产。
2、本发明制备得到的Janus-梯度复合润湿性铜丝，既具备Janus润湿特性，又具有梯度润湿性，同时表面微纳米结构稳定，无需额外的能量，即可实现微液滴超快速长距离定向运输和高效水雾收集。
3、本发明制备得到的Janus-梯度复合润湿性铜丝，解决了液滴传输阻力较大和接触角滞后效应大的问题，在水雾收集和微流控等方面有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中Janus-梯度复合润湿性铜丝的制备流程示意图；
图2为本发明实施例1中Janus-梯度复合润湿性铜丝上不同位置的SEM图以及相对应的XPS图，其中图2a为SEM图，放大倍数均为100000倍；图2b为XPS图；
图3为本发明实施例1中液滴在Janus-梯度复合润湿性铜丝上的定向运输的过程图；
图4为本发明实施例2中液滴在不同直径复合铜丝上定向运输的速度变化对比图。
具体实施方式
以下结合实施案例及附图对本发明的技术方案作进一步描述，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种能够实现液滴超快速传输的Janus-梯度复合润湿性铜丝的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，对铜丝进行预处理；
首先，将直径为0.5mm的铜丝磨直，然后依次在浓度为1mol/L的丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗10min，取出铜丝；
然后，将清洗后的铜丝浸入1mol/L的盐酸溶液中，10s后取出，去除铜丝表面的氧化层；
最后，用去离子水冲洗铜丝表面，去除可能残留的盐酸溶液，最后在25℃下干燥30min，完成对铜丝的预处理。
步骤二，利用碱氨溶液对预处理后的铜丝进行刻蚀，得到超亲水铜丝。
首先，配制碱氨溶液：称取4g氢氧化钠和1.14g过硫酸氨，同时加入到100mL去离子水中，充分搅拌，作为碱氨溶液；
然后，将预处理后的铜丝放入碱氨溶液中进行刻蚀，15min后取出，并用无水乙醇清洗，室温下晾干，得到表面覆盖Cu(OH)2纳米针的超亲水铜丝。
步骤三，采用液相改性法对超亲水铜丝进行修饰，得到Janus-梯度复合润湿性铜丝。
首先，将十八烷基硫醇(C18H38S)溶于无水乙醇中，得到十八硫醇浓度为20mmol/L的十八烷基硫醇(C18H38S)和乙醇(C2H6O)混合溶液，作为修饰剂；
然后，如图1所示，将超亲水铜丝放置在倾斜角为16°的玻璃片上，用微量注射泵(注射速度为1000μL/min)在铜丝底端连续滴入3d修饰剂，对铜丝进行修饰；
最后，修饰完后，用无水乙醇冲洗铜丝，室温晾干后，得到Janus-梯度复合润湿性铜丝。
Janus-梯度复合润湿性铜丝，如图1所示，A和A'部分呈现超亲水性，B和B'部分呈现疏水性。
Janus-梯度复合润湿性铜丝的表征：
在本实施例1制备得到的复合润湿性铜丝的亲水区域选取两个位置，如图2a所示，对其进行SEM表征。从SEM图中可以观察到，被十八硫醇修饰后，铜丝表面的针状结构发生了很明显的变化，粗糙程度大大增加，说明硫醇分子对铜丝的修饰程度从左向右逐渐递减。如图2b所示，上述两个位置的XPS图中，对S元素的分析也可以进一步证明，硫醇分子对铜丝的修饰程度从左向右逐渐递减，从而使得复合铜丝的亲水区域呈现梯度的变化。
Janus-梯度复合润湿性铜丝用于液滴的定向运输：采用高速摄像机(samplerate:100pps)对液滴的运输行为进行观测，如图3所示，将体积为5μL的液滴放置在复合铜丝超疏水端上，由于复合铜丝的亲水区域存在润湿性梯度，液滴会超快速的运输至超亲水端，移动距离是3.32cm；经计算，在此条件下液滴运动的平均速度可达12.75cm/s。
实施例2
(1)预处理：将直径分别为0.3mm和1mm的铜丝磨直，然后在1mol/L的丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗15min，再浸入1mol/L的盐酸溶液中，以去除氧化层，10s后取出，用去离子水冲洗表面可能残留的盐酸溶液，最后在25℃下干燥30min。
(2)超亲水性铜丝的制备：称取4g氢氧化钠和1.14g过硫酸氨，同时加入到100mL去离子水中，充分搅拌，作为碱氨溶液，将步骤(1)得到的铜丝放入碱氨溶液中，进行刻蚀，15min后取出，并用无水乙醇清洗，室温下晾干。
(3)Janus-梯度复合润湿性铜丝的制备：配置20mmol/L十八烷基硫醇(C18H38S)和乙醇(C2H6O)混合溶液作为修饰剂，采用液相改性法，将步骤(2)得到的超亲水铜丝放置在倾斜角为16°的玻璃片上。用微量注射泵(注射速度为1000μL/min)在底端连续滴入3d十八硫醇/乙醇溶液，对其进行修饰，修饰完后用无水乙醇冲洗，室温晾干后，得到Janus-梯度复合润湿性铜丝。
(4)液滴的定向运输性能：采用高速摄像机(sample rate:100pps)对体积为5μL的液滴分别在直径为0.3mm和1mm的复合润湿性铜丝上的运输行为进行观测，分别计算其速度，并与实施例1所得的直径为0.5mm的复合润湿性铜丝对比，如图4所示，0.3mm复合铜丝的运输速度为12.60cm/s，1mm复合铜丝的运输速度为8.55cm/s；由以上对比可知，保持其他条件相同的情况下，0.5mm直径的铜丝对于液滴的运输速度最快。
实施例3
(1)预处理：将直径为0.5mm的铜丝磨直，然后在1mol/L的丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗15min，再浸入1mol/L的盐酸溶液中，以去除氧化层，15s后取出，用去离子水冲洗表面可能残留的盐酸溶液，最后在30℃下干燥10min。
(2)超亲水性铜丝的制备：称取4g氢氧化钠和1.14g过硫酸氨，同时加入到100mL去离子水中，充分搅拌，作为碱氨溶液，将步骤(1)得到的铜丝放入碱氨溶液中，进行刻蚀，10min后取出，并用无水乙醇清洗，室温下晾干。
(3)Janus-梯度复合润湿性铜丝的制备：配置10mmol/L十八烷基硫醇(C18H38S)和乙醇(C2H6O)混合溶液作为修饰剂，采用液相改性法，将步骤(2)得到的超亲水铜丝放置在倾斜角为40°的玻璃片上。用微量注射泵(注射速度为1000μL/min)在底端连续滴入7d十八硫醇/乙醇溶液，对其进行修饰，修饰完后用无水乙醇冲洗，室温晾干后，得到Janus-梯度复合润湿性铜丝。
采用高速摄像机对液滴在本实施例3中制备得到的Janus-梯度复合润湿性铜丝上的传输进行观测，从超疏水端到超亲水端，液滴实现定向的快速传输。
实施例4
(1)预处理：将直径为0.3mm的铜丝磨直，然后依次在1mol/L的丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15min，再浸入1mol/L的盐酸溶液中，去除氧化层，5s后取出，用去离子水冲洗表面可能残留的盐酸溶液，最后在20℃下干燥30min。
(2)超亲水性铜丝的制备：称取4g氢氧化钠和1.14g过硫酸氨，同时加入到100mL去离子水中，充分搅拌，作为碱氨溶液，将步骤(1)得到的铜丝放入碱氨溶液中，进行刻蚀，30min后取出，并用无水乙醇清洗，室温下晾干。
(3)Janus-梯度复合润湿性铜丝的制备：配置100mmol/L十八烷基硫醇(C18H38S)和乙醇(C2H6O)混合溶液作为修饰剂，采用液相改性法，将步骤(2)得到的超亲水铜丝放置在倾斜角为8°的玻璃片上。用微量注射泵(注射速度为1000μL/min)在底端连续滴入2d十八硫醇/乙醇溶液，对其进行修饰，修饰完后用无水乙醇冲洗，室温晾干后，得到Janus-梯度复合润湿性铜丝。
采用高速摄像机对液滴在本实施例4中制备得到的Janus-梯度复合润湿性铜丝上的传输进行观测，从超疏水端到超亲水端，液滴实现定向的快速传输。

Claims (5)

1.一种能够实现液滴超快速传输的Janus-梯度复合润湿性铜丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，对铜丝进行预处理；
预处理过程为：
首先，将直径为0.3mm～1mm的铜丝后，依次浸泡在一定浓度的丙酮、无水乙醇和去离子水中，各超声清洗频率为20kHz～40kHz，清洗10～15min后将铜丝取出；
然后，将清洗后的铜丝浸入一定浓度的盐酸溶液中5s～15s后取出，以去除氧化层；
最后，用去离子水冲洗铜丝表面残留的盐酸溶液，并在20～30℃下干燥10～30min，完成对铜丝的预处理；
步骤二，利用碱氨溶液对预处理后的铜丝进行刻蚀，得到超亲水铜丝；
刻蚀的过程具体为：
首先，配制碱氨溶液：将4g氢氧化钠和1.14g过硫酸氨同时加入100mL去离子水中，搅拌溶解，得到碱氨溶液；
然后，将预处理后的铜丝放入碱氨溶液中，刻蚀10～30min后取出；
最后，用无水乙醇清洗后，室温下晾干，得到表面覆盖有Cu(OH)2纳米针的超亲水铜丝；
步骤三，采用液相改性法对超亲水铜丝进行修饰，得到Janus-梯度复合润湿性铜丝；
具体过程为：
首先，将十八烷基硫醇溶于无水乙醇中，形成修饰剂；
然后，将超亲水铜丝放置在倾斜角度小于等于40°的玻璃片上，用微量注射泵以1000μL/min的速度在铜丝底端连续滴入2d～7d修饰剂，对接触修饰剂部分的铜丝表面进行修饰；
最后，用无水乙醇冲洗铜丝，室温晾干后，得到Janus-梯度复合润湿性铜丝。
2.根据权利要求1所述的一种能够实现液滴超快速传输的Janus-梯度复合润湿性铜丝的制备方法，其特征在于，所述丙酮和盐酸溶液的浓度均为1mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种能够实现液滴超快速传输的Janus-梯度复合润湿性铜丝的制备方法，其特征在于，所述修饰剂的浓度为10mmol/L～100mmol/L。
4.基于权利要求1所述的制备方法得到的Janus-梯度复合润湿性铜丝，其特征在于，表面为纳米针状，一端为超疏水端，另一端为超亲水端；从超疏水端到超亲水端，铜丝表面的润湿性呈现梯度的变化，疏水区域的截面和亲水区域的截面为等腰三角形的形状，疏水区域的定向传输以类似等腰三角形的形式逐渐减小，亲水区域的定向传输以类似等腰三角形的形式逐渐增大。
5.基于权利要求4所述的Janus-梯度复合润湿性铜丝，其特征在于，将其应用于液滴超快传输，具体过程为：
将体积为5μL～10μL的微液滴置于Janus-梯度复合润湿性铜丝的超疏水端，液滴自动向超亲水端传输，当前液滴在铜丝上的传输距离为2～4cm，平均传输速度为6cm/s～13cm/s。
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