CN115195241B - 一种原位浸润性转换结构、其制备方法及其制备的液滴动态操控平台 - Google Patents

一种原位浸润性转换结构、其制备方法及其制备的液滴动态操控平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位浸润性转换结构、其制备方法及其制备的液滴动态操控平台，将电热薄膜层与浸润性可调控的形状记忆微结构表面层相结合，利用激光加工技术，一步制备出浸润性可调控的形状记忆微结构表面。在外荷载和电压作用下，该结构可以实现表面的浸润性的原位切换。此外，在该结构表面上可以形成液滴的流动通道，为液滴移动设定好了路线，控制液滴的移动方向，同时液滴可在反应池部分在低于转换温度下进行反应，待反应完成后通过通道流出。本发明可以构造引导液滴定向移动的通道和反应池，可广泛的应用于微液滴的生物化学反应。本发明采用激光刻蚀技术，一步得到形状记忆微结构表面，过程简单，方式灵活，快速方便。

Description

一种原位浸润性转换结构、其制备方法及其制备的液滴动态 操控平台
技术领域
本发明属于液滴转移领域，具体涉及一种原位浸润性转换结构、其制备方法及其制备的液滴动态操控平台。
背景技术
具有可逆浸润性转换的智能结构在液滴转移、微流控、生物化学工程等领域有着广阔的应用前景。表面的浸润性是由表面的化学性质和物理结构共同决定的，选择通过改变表面化学成分来调整润湿性，许多缺陷仍然难以避免。例如亲水性化合物会吸收液滴中存在的物质，导致表面与实验液滴相互污染，此外还缺乏便捷性，安全性，经济性等一系列问题。相比之下，通过对微结构阵列的动态调节实现在表面浸润性的调控显示了巨大的优势。形状记忆聚合物作为一种刺激响应材料，具有可逆的形状调节能力，为表面润湿性和黏附性的调节提供了巨大的可能性。在超疏水表面的制备上，大多采用模板法获取表面微结构，操作复杂且缺乏灵活性。在形状记忆聚合物的驱动方式上，以往工作中采用的加热策略大多是基于分体式加热板加热、水浴加热、电控温室加热等。样品需要直接与加热设备接触。在样品转移过程中存在操作不便、操作危险等缺点，严重限制了其在实际中的应用潜力。如何实现原位润湿性转化是制约智能超疏水表面的核心问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位浸润性转换结构、其制备方法及其制备的液滴动态操控平台。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种原位浸润性转换结构，包括形状记忆微结构表面通过耐热高温粘结剂覆盖到电热薄膜的基体上；所述形状记忆薄膜的基体为环氧树脂形状记忆聚合物，填充材料为碳纳米管、石墨烯；所述形状记忆微结构表面的微结构为飞秒激光对形状记忆表面进行刻蚀形成微柱阵列；所述电热薄膜的基体为聚二甲基硅氧烷，填充材料为碳纳米管、石墨烯。
进一步地，所述形状记忆微结构表面厚度为0.5mm～3mm；所述微柱阵列为方形，经超声清洗干燥后，进行氟化处理，方形微柱的边长为20μm～200μm，高度为40μm～400μm；形状记忆微结构表面的基体材料为环氧树脂58％～84％，固化剂15％～30％，填充材料为碳纳米管0.5％～6.0％，石墨烯0.5％～6.0％，形状记忆固定率为75％～100％，形状记忆回复率为75％～100％。
进一步地，所述电热薄膜材料组成的质量百分比含量及升温特征为：电热薄膜的基体材料聚二甲基硅氧烷73％～89％，固化剂10％～15％，填充材料碳纳米管0.5％～6.0％、石墨烯0.5％～6.0％；电热薄膜在电压3V-12V下，薄膜温度升温50℃-200℃。
一种原位浸润性转换结构的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：制备形状记忆表面(1)：形状记忆基体材料为环氧树脂58％～84％，固化剂15％～30％，填充材料为碳纳米管0.5％～6.0％，石墨烯0.5％～6.0％，形状记忆固定率为75％～100％，形状记忆回复率为75％～100％；
步骤2：制备形状记忆表面(1)的微结构：采用飞秒激光对形状记忆表面进行刻蚀形成微柱阵列，经超声清洗干燥后，进行氟化处理；所述的形状记忆微结构表面(1)厚度为0.5mm～3mm，微柱阵列为方形，其微柱边长为20μm～200μm，微柱高度为40μm～400μm；
步骤3：制备电热薄膜(3)基体：聚二甲基硅氧烷73％～89％，固化剂10％～15％，填充材料为碳纳米管0.5％～6.0％、石墨烯0.5％～6.0％，电热薄膜在电压3V-12V下，薄膜温度升温50℃-200℃；
步骤4：制备新型原位浸润性转换结构：将制备好的形状记忆微结构表面(1)通过耐热高温粘结剂(2)覆盖到电热薄膜(3)基体上。
一种原位浸润性转换结构制备的液滴动态操控平台，液滴动态操控平台为通过形状记忆微结构表面微柱阵列的形状记忆性能，构造引导液滴定向移动的通道和反应池。
进一步地，所述通道的宽度为40μm～400μm、深度为20μm～200μm；反应池深度为20μm～200μm、宽度为8mm～30mm。
进一步地，所述反应池的温度范围为23℃～85℃。
本发明的有益效果在于：
本发明将电热薄膜层与浸润性可调控的形状记忆微结构表面层相结合，利用激光加工技术，一步制备出浸润性可调控的形状记忆微结构表面。在外荷载和电压作用下，该结构可以实现表面的浸润性的原位切换。此外，在该结构表面上可以形成液滴的流动通道，为液滴移动设定好了路线，控制液滴的移动方向，同时液滴可在反应池部分在低于转换温度下进行反应，待反应完成后通过通道流出。
本发明采用激光刻蚀技术，一步得到形状记忆微结构表面，过程简单，方式灵活，快速方便。
本发明通过控制表面微结构状态实现表面浸润性的原位切换，实现液滴在表面黏附力的调谐。
本发明的液滴动态操控平台，可以构造引导液滴定向移动的通道和反应池。该平台可广泛的应用于微液滴的生物化学反应。
附图说明
图1是本发明液滴动态操控平台示意图；
图2是本发明原位浸润性转换结构示意图；其中过程(a)为施加电压和外荷载，(b)为冷却固定，(c)为重新施加电压，(d)冷却回复至初始状态；
图3是本发明结构组成换示意图；
图4是本发明初始状态和变形状态的电镜图，比例尺为50μm；
图5是本发明初始状态和变形状态的液滴接触角；
图6是本发明在4V、8V、12V电压下的时间温度曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种新型原位浸润性转换结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：制备浸润性可调控的形状记忆表面(1)：形状记忆基体材料为环氧树脂58％～84％，固化剂15％～30％，填充材料为碳纳米管0.5％～6.0％、石墨烯0.5％～6.0％，形状记忆固定率为75％～100％，形状记忆回复率为75％～100％；
步骤2：制备浸润性可调控的形状记忆表面(1)的微结构：采用飞秒激光对形状记忆表面进行刻蚀形成微柱阵列，经超声清洗干燥后，进行氟化处理；所述的形状记忆微结构1表面厚度为0.5mm～3mm，微柱阵列为方形，其边长为20μm～200μm，高度为40μm～400μm；
步骤3：制备电热薄膜(3)基体：聚二甲基硅氧烷73％～89％，固化剂10％～15％，填充材料为碳纳米管0.5％～6.0％、石墨烯0.5％～6.0％，电热薄膜在电压3V-12V下，薄膜温度升温50℃-200℃；
步骤4：制备新型原位浸润性转换结构：将制备好的浸润性可调控的形状记忆微结构表面(1)通过耐热高温粘结剂(2)覆盖到电热薄膜(3)基体上(图3)。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种新型原位浸润性转换结构的调控方法，微柱阵列初始状态下保持较低的液滴粘附力。对下层电热薄膜(3)施加电压，在上层形状记忆微结构表面(1)达到转换温度的情况下施加一定的荷载，保持荷载至冷却至室温后，移除荷载，微结构阵列进入变形状态保持较高的液滴粘附力。对下层电热薄膜(3)重新施加电压，待上层形状记忆微结构表面(1)达到转换温度，变形的微柱阵列重新恢复至初始状态。
调控方法具体为：对制备的原位浸润性转换结构的下层电热薄膜(3)施加电压，在上层形状记忆微结构表面(1)达到转换温度的情况下施加一定的荷载，保持荷载至冷却至室温后，移除荷载，微结构阵列进入变形状态。对下层电热薄膜(3)重新施加电压，待上层形状记忆微结构表面(1)达到转换温度，变形的微柱阵列重新恢复至初始状态(图3)。初始状态下，表面微结构处于直立状态，此时表现为高接触角，低黏附力(图4)。变形状态下，表面微结构呈现倾倒状态，此时表现为低接触角高黏附力(图5)。
具体实施方式三：本实施方式记载的是液滴动态操控平台的使用方法，利用表面微结构的阵列的形状记忆性能，构造引导液滴定向移动的通道和反应池。所获得通道的宽度为40μm～200μm、深度为20μm～200μm；反应池宽度为8mm～30mm、深度为20μm～200μm。液滴反应池可在低于转换温度时根据实验需求对液滴进行加热，温度范围为23℃～85℃(图1)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种原位浸润性转换结构，其特征在于：包括形状记忆微结构表面(1)通过耐热高温粘结剂(2)覆盖到电热薄膜(3)的基体上；所述形状记忆微结构表面(1)的微结构为飞秒激光对形状记忆微结构表面(1)进行刻蚀形成微柱阵列；所述形状记忆微结构表面(1)的基体为环氧树脂形状记忆聚合物，填充材料为碳纳米管、石墨烯；所述电热薄膜(3)的基体为聚二甲基硅氧烷，填充材料为碳纳米管、石墨烯；
所述原位浸润性转换结构的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：制备形状记忆微结构表面(1)：形状记忆基体材料为环氧树脂聚合物58％～84％，固化剂15％～30％，填充材料为碳纳米管0.5％～6.0％，石墨烯0.5％～6.0％，形状记忆固定率为75％～100％，形状记忆回复率为75％～100％；
步骤2：制备形状记忆微结构表面(1)的微结构：采用飞秒激光对形状记忆表面进行刻蚀形成微柱阵列，经超声清洗干燥后，进行氟化处理；所述的形状记忆微结构表面(1)厚度为0.5mm～3mm，微柱阵列为方形，其微柱边长为20μm～200μm，微柱高度为40μm～400μm；
步骤3：制备电热薄膜(3)基体：聚二甲基硅氧烷73％～89％，固化剂10％～15％，填充材料为碳纳米管0.5％～6.0％、石墨烯0.5％～6.0％，电热薄膜(3)在电压3V-12V下，薄膜温度升温50℃-200℃；
步骤4：制备原位浸润性转换结构：将制备好的形状记忆微结构表面(1)通过耐热高温粘结剂(2)覆盖到电热薄膜(3)基体上。
2.根据权利要求1所述的一种原位浸润性转换结构，其特征在于：所述形状记忆微结构表面(1)厚度为0.5mm～3mm；所述微柱阵列为方形，经超声清洗干燥后，进行氟化处理，方形微柱的边长为20μm～200μm，高度为40μm～400μm；形状记忆微结构表面(1)的基体材料为环氧树脂58％～84％，固化剂15％～30％，填充材料为碳纳米管0.5％～6.0％、石墨烯0.5％～6.0％，形状记忆固定率为75％～100％，形状记忆回复率为75％～100％。
3.根据权利要求1所述的一种原位浸润性转换结构，其特征在于：所述电热薄膜(3)材料组成的质量百分比含量及升温特征为：电热薄膜(3)的基体材料聚二甲基硅氧烷73％～89％，固化剂10％～15％，填充材料碳纳米管0.5％～6.0％、石墨烯0.5％～6.0％；电热薄膜(3)在电压3V-12V下，薄膜温度升温50℃-200℃。
4.根据权利要求1所述的一种原位浸润性转换结构制备的液滴动态操控平台，其特征在于：液滴动态操控平台为通过形状记忆微结构表面(1)微柱阵列的形状记忆性能，构造引导液滴定向移动的通道和反应池。
5.根据权利要求4所述的一种原位浸润性转换结构制备的液滴动态操控平台，其特征在于：所述通道的宽度为40μm～400μm、深度为20μm～200μm；反应池深度为20μm～200μm、宽度为8mm～30mm。
6.根据权利要求5所述的一种原位浸润性转换结构制备的液滴动态操控平台，其特征在于：所述反应池的温度范围为23℃～85℃。
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