CN116020725A - 一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，包括如下步骤：(1)将含固化剂的PDMS、苯类溶剂混合均匀得到预混液，在所述预混液中加入氟化改性磁性粉体混合均匀，得到喷涂液；(2)将所述喷涂液喷涂至放置在钕磁铁上的基材的表面并进行热固化，即得到磁控液滴无损运输的超疏水表面；在磁场强度为至少0.4T下控制所述超疏水表面的液滴进行定向无损运输。本发明所制超疏水表面可实现对微液滴的单向、双向、任意路径及抗重力的定向无损运输控制，还可对不同体积及不同类型的微液滴进行定向无损运输控制。
Description
技术领域
本发明涉及表面改性技术领域，具体涉及一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法。
背景技术
基于液滴控制的数字微流控技术在化学反应、生物医学、药物合成，生物标志物检测和病原体鉴定、芯片实验室系统、药物控释等方面具有重要应用价值。现有的微流体液滴控制技术主要是通过微孔道结构结合微泵和微阀结构的控制作用，来实现微液滴的移动、运输控制。然而，该技术需要精密、复杂的微加工技术实现复杂结构的加工与集成，制作成本高；而且控制液滴的尺寸大小受管道尺寸的限制，无法实现的分析应用。此外，由于孔道的润湿行为会造成液滴的损失。
因此，开发新的液滴控制技术意义重大。具有特殊润湿性的接触角大于150°超疏水表面开放式液滴操控技术在科学和工业领域具有广泛的应用潜力。超疏水表面开放式液滴操控技术主要是利用超疏水表面的超低粘附性，利用外部驱动方式，如电、磁、声音等来实现液滴的控制。在这些驱动方式中有的响应慢，有的条件复杂，有的需要额外的能源。而磁响应模式因其操作简单、即时响应、无接触、远程控制以及良好的生物相容性、不需要额外的能源等诸多优点近年来引起了国内外科研工作者浓厚的兴趣。因此，对开放式液滴磁操控技术的研究具有十分重要的工程应用前景。但是目前制备开放式磁控制液滴无损运输的超疏水表面的研究较少，并利用磁控制超疏水表面对液滴实现自由、无损运输的控制仍然是一个挑战。申请号为CN201510124441.7的专利公开了一种超疏水多孔Fe304/PS纳米复合材料及其制备方法，得到超疏水多孔Fe304/PS纳米复合材料，具有强磁响应性，多孔、漂浮、强亲油性，有利于高效吸油和材料回收。该方法工艺较复杂，且不能对液滴进行操控。
目前制备磁控制超疏水表面的方法多数涉及使用的刻蚀法、光刻、模板等方法制备大多工艺过程复杂，造价高昂，不适合大规模制备、应用。喷涂法高效、工艺简单，可以不受基材的限制，实现大规模的生产。
发明内容
针对目前现有的微流体液滴控制技术中存在的工艺复杂、适用面窄，价格昂贵的瓶颈问题，以及响应慢，操控路径不可控，可操控液滴类型单一，对微液滴操控困难的技术问题，本发明提供一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法。本发明所制超疏水表面可实现对微液滴的单向、双向、任意路径及抗重力的定向无损运输控制，还可对不同体积及不同类型的微液滴进行定向无损运输控制。
为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，包括如下步骤：
(1)将含固化剂的PDMS、苯类溶剂混合均匀得到预混液，在所述预混液中加入氟化改性磁性粉体混合均匀，得到喷涂液；
(2)将所述喷涂液喷涂至放置在钕磁铁上的基材的表面并进行热固化，在热固化前，该表面的磁性粉体沿着磁场方向产生规则排列，在热固化后即得到开放式磁控液滴无损运输的超疏水表面；
在磁场强度为至少0.4T下控制所述超疏水表面的液滴进行定向无损运输，在该基材表面的底部施加磁场可在该表面形成规则的微柱状阵列结构，这对超疏水是有利的。
进一步地，所述氟化改性磁性粉体的获得方法是：将氟硅烷、醇类溶剂、磁性粉体按质量比1:100:(30-50)混合均匀，固液分离后将固体部分干燥得到氟化改性磁性粉体。
更进一步地，所述氟硅烷为三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种；所述醇类溶剂为乙醇或甲醇；所述磁性粉体为四氧化三铁、氧化镍、四氧化三钴中的一种或多种。
进一步地，所述预混液与所述氟化改性铁粉的质量比为1:1。
进一步地，所述苯类溶剂为甲苯、二甲苯、苯中的一种；所述基材包括铝或铝合金。
进一步地，所述含固化剂的PDMS为PDMS预聚物与PDMS固化剂按质量比10:1配置的混合物；所述含固化剂的PDMS与所述苯类溶剂的质量比为11:10。
进一步地，所述热固化的温度为60-70℃、时间为1-3h。
进一步地，所述喷涂液在所述基材的表面的喷涂量为使得固化后所得膜层厚度在100-300μm。
有益技术效果：
本发明方法可获得开放式磁控液滴无损运输的超疏水表面，所制超疏水表面可实现对微液滴的单向、双向、任意路径的定向无损运输控制；可对斜面上的微液滴进行捕捉、释放控制，及抗重力运输；还可对不同体积及不同类型的微液滴进行定向无损运输控制。本发明所制开放式磁控制超疏水表面通过简单的控制磁铁移动即可实现对其表面微液滴的控制，响应速度快，与液滴无接触控制，无需额外的能源，制备方法过程简单，易实现，成本低，不受基材限制，克服了可实验室工艺复杂的问题，应用于流体定向控制、无损运输、微流体芯片器件及生物医药等领域。
附图说明
图1的(a)为实施例1的磁控液滴无损运输的超疏水表面有磁场(1.2T)区域的水接触角和无磁场区域的水接触角；
图1的(b)为图1的(a)中有磁场(1.2T)区域表面微观形貌示意图和无磁场区域表面微观形貌示意图。
图2为实施例1的磁控液滴无损运输的超疏水表面的SEM形貌图，其中(a)、(b)、(c)为无磁场区域不同放大倍数下的表面形貌，(d)、(e)、(f)为有磁场区域(1.2T)不同放大倍数下的表面形貌。
图3为实施例1的超疏水表面在磁场强度1.2T下对30μL液滴的单向无损运输控制图。
图4为实施例1的超疏水表面在磁场强度1.2T下对30μL液滴的双向无损运输控制图，其中液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(a)→(f)。
图5为实施例1的超疏水表面在磁场强度1.2T下对30μL液滴的任意途径无损运输控制图，其中液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(a)→(f)。
图6为实施例1的超疏水表面在磁场强度1.2T下对15μL、30μL、50μL液滴圆形途径无损运输控制图；其中(a)组表示液滴体积为15μL，液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(a1)→(a5)；(b)组表示液滴体积为30μL，液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(b1)→(b5)；(c)组表示液滴体积为50μL，液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(c1)→(c5)。
图7为实施例1的超疏水表面在斜面上、磁场强度为1.2T下对30μL液滴的抗重力无损运输控制图，其中液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(a)→(c)。
图8为实施例1的超疏水表面在磁场强度1.2T下对50μL不同浓度的医用盐水液滴的无损运输控制图；其中(a)组表示液滴浓度为0.45wt％，液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(a1)→(a6)；(b)组表示液滴浓度为0.9wt％，液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(b1)→(b6)；(c)组表示液滴浓度为3wt％，液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(c1)→(c6)。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
以下实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定；若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、或相关企业提出的标准要求进行。除非另有说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比。
以下实施例所用基材为铝板，在使用之前需要对其进行无水乙醇、丙酮、超纯水的洗涤处理，清洁后干燥，备用。但不限于只使用铝制基材，本发明的方法适用于任何基材表面，例如无纺布、合金基材、玻璃基材等。
以下所用含固化剂的PDMS为PDMS预聚物与PDMS固化剂按质量比10:1配置的混合物，如道康宁的SYLGARD 184SILICONE ELASTOMER灌封胶。
实施例1
一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，包括如下步骤：
(1)氟化改性磁性粉体的获得：将1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷、乙醇和四氧化三铁铁粉按照质量比例1:100:30混合搅拌12h，混合均匀后离心、干燥，得到氟化改性铁粉；
将含固化剂的PDMS、甲苯按照质量比11:10混合，磁力搅拌1h，混合均匀得到预混液；在所述预混液中加入氟化改性铁粉，两者按等质量比混合，搅拌1h，混合均匀后得到喷涂液；
(2)将洁净的铝板放置在钕磁铁上，在不与钕磁铁接触的铝板表面喷涂所述喷涂液，在钕磁铁的磁场影响下，由于铁粉具有良好的顺磁性且喷涂液的粘度不高，因此喷涂液中未固化的氟化改性铁粉可以沿着磁场方向形成垂直的柔性磁感应微柱阵列，然后将其在60℃下热固化2h定型，从而获得磁控液滴无损运输的超疏水表面。
实施例2
一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，包括如下步骤：
(1)氟化改性磁性粉体的获得：将1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷、乙醇和四氧化三铁铁粉按照质量比例1:100:40混合搅拌12h，混合均匀后离心、干燥，得到氟化改性铁粉；
将含固化剂的PDMS、甲苯按照质量比11:10混合，磁力搅拌1h，混合均匀得到预混液；在所述预混液中加入氟化改性铁粉，两者按等质量比混合，搅拌1h，混合均匀后得到喷涂液；
(2)将洁净的铝板放置在钕磁铁上，在不与钕磁铁接触的铝板表面喷涂所述喷涂液，在钕磁铁的磁场影响下，由于铁粉具有良好的顺磁性且喷涂液的粘度不高，因此喷涂液中未固化的氟化改性铁粉可以沿着磁场方向形成垂直的柔性磁感应微柱阵列，然后将其在60℃下热固化2h定型，从而获得磁控液滴无损运输的超疏水表面。
实施例3
一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，包括如下步骤：
(1)氟化改性磁性粉体的获得：将1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷、乙醇和四氧化三铁铁粉按照质量比例1:100:50混合搅拌12h，混合均匀后离心、干燥，得到氟化改性铁粉；
将含固化剂的PDMS、甲苯按照质量比11:10混合，磁力搅拌1h，混合均匀得到预混液；在所述预混液中加入氟化改性铁粉，两者按等质量比混合，搅拌1h，混合均匀后得到喷涂液；
(2)将洁净的铝板放置在钕磁铁上，在不与钕磁铁接触的铝板表面喷涂所述喷涂液，在钕磁铁的磁场影响下，由于铁粉具有良好的顺磁性且喷涂液的粘度不高，因此喷涂液中未固化的氟化改性铁粉可以沿着磁场方向形成垂直的柔性磁感应微柱阵列，然后将其在60℃下热固化2h定型，从而获得磁控液滴无损运输的超疏水表面。
对比例1
本对比例的表面制备与实施例1相同，不同之处在于，步骤1中不加入氟硅烷。
对实施例及对比例的表面进行SEM观察和水接触角测试，接触角数据见表1。
表1实施例及对比例表面在不同磁场强度下接触角数据
(注：在表面底部非接触式设置磁铁以施加不同强度磁场)
由表1可知，对比例1中未使用氟硅烷改性铁粉所制的表面在无磁场时具有一定疏水性，在施加磁场强度后，随着磁场强度的增加，水接触角逐渐大。而本发明采用氟硅烷改性铁粉所制的表面在无磁场时即具有较好的超疏水性。
实施例1的磁控液滴无损运输的超疏水表面有磁场(1.2T)区域的水接触角和无磁场区域的水接触角如图1的(a)所示；图1的(a)中有磁场(1.2T)区域表面微观形貌示意图和无磁场区域表面微观形貌示意图如图1的(b)所示。由图1的(a)和(b)可知，本发明获得的表面具有一定的超疏水性，未施加磁场的区域，表面是不规则的凹凸结构，液滴与表面的水接触角为150.2°(0T)，在施加一定强度磁场后(在该表面底部放置磁铁，放置方式可以是非接触式，也可以是接触式，对表面结构不存在影响，图示出的是接触式)，表面形成规则的微柱状阵列结构，这使得水接触角增加，得到水接触角为164.8°(1.2T)的超疏水表面。
实施例1的磁控液滴无损运输的超疏水表面的SEM形貌图如图2所示，其中(a)、(b)、(c)为无磁场区域不同放大倍数下的表面形貌，(d)、(e)、(f)为有磁场区域(1.2T)不同放大倍数下的表面形貌。可见通过施加磁场，可以获得规则的微柱状阵列结构的超疏水表面。
实施例1的超疏水表面在磁场强度1.2T下对30μL液滴的单向无损运输控制图如图3所示；实施例1的超疏水表面在磁场强度1.2T下对30μL液滴的双向无损运输控制图如图4所示；实施例1的超疏水表面在磁场强度1.2T下对30μL液滴的任意途径无损运输控制图如图5所示。由图3-图5可知，通过简单移动控制底部的磁铁以非接触的方式即可实现开放式磁控超疏水表面微液滴单向、双向、任意途径的无损运输控制。
实施例1的超疏水表面在磁场强度1.2T下对15μL、30μL、50μL液滴圆形途径无损运输控制图如图6所示；其中(a)组表示液滴体积为15μL，液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(a1)→(a5)；(b)组表示液滴体积为30μL，液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(b1)→(b5)；(c)组表示液滴体积为50μL，液滴的运动轨迹依次按照图示标号从(c1)→(c5)。
实施例1的超疏水表面在斜面上、磁场强度为1.2T下对30μL液滴的抗重力无损运输控制图如图7所示。
实施例1的超疏水表面在磁场强度1.2T下对50μL不同浓度的医用盐水液滴的无损运输控制图如图8所示；其中a1-a6表示液滴浓度为0.45wt％，b1-b6表示液滴浓度为0.9wt％，c1-c6表示液滴浓度为3wt％。
由图6、图8可知，不同重量微液滴、不同浓度微液滴对超疏水表面实现磁控液滴无损运输无影响；由图7可知，本发明超疏水表面可实现微液滴克服重力的磁控液滴无损运输。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将含固化剂的PDMS、苯类溶剂混合均匀得到预混液，在所述预混液中加入氟化改性磁性粉体混合均匀，得到喷涂液；
(2)将所述喷涂液喷涂至放置在钕磁铁上的基材的表面并进行热固化，即得到磁控液滴无损运输的超疏水表面；
在磁场强度为至少0.4T下控制所述超疏水表面的液滴进行定向无损运输。
2.根据权利要求1所述的一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述氟化改性磁性粉体的获得方法是：将氟硅烷、醇类溶剂、磁性粉体按质量比1:100:(30-50)混合均匀，固液分离后将固体部分干燥得到氟化改性磁性粉体。
3.根据权利要求2所述的一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述氟硅烷为三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种；所述醇类溶剂为乙醇或甲醇；所述磁性粉体为四氧化三铁、氧化镍、四氧化三钴中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述预混液与所述氟化改性铁粉的质量比为1:1。
5.根据权利要求1所述的一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述苯类溶剂为甲苯、二甲苯、苯中的一种；所述基材包括铝或铝合金。
6.根据权利要求1所述的一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述含固化剂的PDMS为PDMS预聚物与PDMS固化剂按质量比10:1配置的混合物；所述含固化剂的PDMS与所述苯类溶剂的质量比为11:10。
7.根据权利要求1所述的一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述热固化的温度为60-70℃、时间为1-3h。
8.根据权利要求1所述的一种磁控液滴无损运输的超疏水表面的制备方法，其特征在于，所述喷涂液在所述基材的表面的喷涂量为使得固化后所得膜层厚度在100-300μm。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| YANLONG ZHAN 等: "Magnetically Responsive Superhydrophobic Surfaces for Microdroplet Manipulation", 《ADV. MATER. INTERFACES》, vol. 9, no. 5, pages 1 - 10 * |
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