CN116854976A - 一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构、制备方法及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法，包括以下步骤：步骤10，在形状记忆材料原溶液中加入纳米四氧化三铁得到Fe3O4‑SMP复合基底材料；步骤20，通过飞秒激光加工系统在Fe3O4‑SMP复合基底材料上进行扫描形成粗糙结构；步骤30，将粗糙结构放置在氟硅烷溶液中密封；步骤40，制备温度响应聚合物接枝溶液；步骤50，将粗糙结构浸入温度响应聚合物接枝溶液中得到智能表面结构；步骤60，将智能表面结构进行清洁干燥。本发明还提供一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构以及一种电子设备。本发明将温度响应切换润湿性表面转变为光热响应，操控简单，提高了切换效率和可控性，通过飞秒激光加工粗糙结构降低了工艺难度和成本，提高了加工效率。
Description
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构、制备方法及电子设备。
背景技术
智能表面可以通过外界环境如温度、光、力、pH和气体等的刺激，调节其自身一个或多个属性以激活其独特的功能。在诸多属性中，润湿性作为材料表面的重要性质，对智能表面的研发具有非凡的意义。润湿性可控的表面在防腐、防雾、防冰、自洁、减少摩擦阻力、油水分离、集水等方面具有重要的应用前景。同时，具有可切换特性的智能表面已经在众多应用中展现出潜力。为了满足这些应用的需求，以简便、大规模、通用的方式创建智能表面，同时确保快速响应、良好可逆性和可重复性，以及表面特性的大切换范围是至关重要的。
在各种智能表面中，响应式可切换润湿性表面因其在传感器、分离器、微流体装置、药物输送系统和化学阀门中的重要应用而备受关注。通常，一些聚合物分子可以可逆地改变它们的化学构象或极性，从而改变表面能并因此改变表面润湿性。通过增加表面粗糙度，可以进一步增强表面润湿性的变化以满足实际应用。因此，可以实现在超亲水性和超疏水性之间变化的智能响应可切换表面。
目前，已有的智能润湿表面制备方法主要包括光刻、蚀刻、纳米粒子喷涂和模板辅助技术等。光刻是一种成熟且有用的方法，可以制造规则的阵列结构，例如柱子、锥体、凹槽，甚至是表面上的一些非对称结构。但它通常昂贵且耗时，并且需要进行多个步骤。蚀刻简单且成本低廉，但不安全且不环保，并且制备的表面通常是无序且不可控的。纳米粒子喷涂和模板辅助技术需要准备纳米粒子或模板，这增加了工艺的复杂性。上述的智能表面制备方法工艺复杂且成本高，而且，响应式可切换润湿性表面结构为温度响应的方式切换润湿性，需要接触冷热源设备使用，操作环境约束较大，结构复杂且不易操作，切换效率较低。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构、制备方法及电子设备。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例的第一方面提供一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤10，在形状记忆材料原溶液中加入纳米四氧化三铁，加热后固化得到Fe3O4-SMP复合基底材料；
步骤20，通过飞秒激光加工系统根据预设图形在所述Fe3O4-SMP复合基底材料上进行扫描，形成粗糙结构，所述粗糙结构包括微柱阵列和底座；
步骤30，将所述粗糙结构放置在盛装有氟硅烷溶液的密闭容器中密封第一预设时长；
步骤40，制备温度响应聚合物接枝溶液；
步骤50，将经过步骤30处理后的粗糙结构全部浸入所述温度响应聚合物接枝溶液中，持续反应第二预设时长，以在所述粗糙结构的表面接枝温度响应聚合物，得到智能表面结构；
步骤60，将所述智能表面结构进行清洁干燥。
在本发明的一个实施例中，所述步骤10的具体步骤为：
步骤11，将双酚A二缩水甘油醚、间苯二甲胺与正辛胺以摩尔比5：2：1的比例混合，得到所述形状记忆材料原溶液；
步骤12，在所述形状记忆材料原溶液中加入纳米四氧化三铁，搅拌均匀后在60℃下加热2小时，之后在100℃下加热1小时，然后固化得到所述Fe3O4-SMP复合基底材料。
在本发明的一个实施例中，所述飞秒激光加工系统的扫描间距为0.02-0.03mm，扫描功率、扫描速度、扫描次数分别为2000-3000mW、250mm/s、2-3次。
在本发明的一个实施例中，其特征在于，所述预设图形通过CAD生成。
在本发明的一个实施例中，所述温度响应聚合物为PNIPAAM，所述步骤40的具体步骤为：将N，N，N’，N”，N”-五甲基二亚乙基三胺、溴化亚铜和PNIPAAM溶解在CH3OH和H2O的摩尔比为1：1的混合物中，并对溶液进行脱气处理，得到PNIPAAM接枝溶液。
在本发明的一个实施例中，所述第二预设时长为1-2小时。
在本发明的一个实施例中，所述微柱阵列包括多个大小相同且依次均匀间隔设置的柱体。
本发明实施例的第二方面提供一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构，根据本发明实施例的第一方面提供的制备方法制备得到，包括：微柱阵列和底座；
所述微柱阵列固定设置在所述底座上；
所述微柱阵列和所述底座的表面接枝有温度响应聚合物。
在本发明的一个实施例中，所述微柱阵列包括多个大小相同且依次均匀间隔设置的柱体；
所述温度响应聚合物为PNIPAAM。
本发明实施例的第三方面提供一种电子设备，包括设备主体，所述设备主体的至少部分表面采用本发明实施例第二方面提供的智能表面结构；
所述设备主体为传感器、分离器、微流控设备或药物输送设备。
本发明的有益效果：
本发明通过在形状记忆材料(SMP)中添加纳米四氧化三铁得到光热响应材料，将温度响应聚合物接枝在Fe3O4-SMP复合基底材料形成的粗糙结构上，将温度响应切换润湿性表面转变为光热响应，通过红外光照时间控制材料表面的温度，以达到调节聚合物的结构，从而调控表面的润湿性能。本发明的智能表面使用时无需直接接触冷热源设备，降低了操作环境的约束性，不但扩展了使用场景，提升了通用性，而且温度易于控制，操控简单，提高了切换效率和可控性。同时，通过飞秒激光加工粗糙结构降低了工艺难度和成本，提高了加工效率。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的预设图形的示意图；
图3为本发明实施例提供的粗糙结构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的无红外光照射时智能表面结构上的液滴一分钟后状态的放大示意图；
图5为本发明实施例提供的红外光照射一分钟后智能表面结构上的液滴状态的放大示意图；
图6为本发明实施例提供的亲水性微流体路径的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
如图1所示，一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤10，在形状记忆材料原溶液中加入纳米四氧化三铁，加热后固化得到Fe3O4-SMP复合基底材料。优选地，形状记忆材料(SMP)包括环氧树脂，则步骤10的具体步骤为：
步骤11，将双酚A二缩水甘油醚、间苯二甲胺与正辛胺以摩尔比5：2：1的比例混合，得到形状记忆材料原溶液；
步骤12，在形状记忆材料原溶液中加入纳米四氧化三铁，搅拌均匀后在60℃下加热2小时，之后在100℃下加热1小时，然后注入模具中进行固化得到Fe3O4-SMP复合基底材料。
步骤20，通过飞秒激光加工系统根据预设图形在Fe3O4-SMP复合基底材料上进行扫描，形成粗糙结构，粗糙结构包括微柱阵列和底座。
本步骤中，通过CAD绘图软件绘制预设图形，将预设图形导入飞秒激光加工系统，飞秒激光加工系统根据预设图形对Fe3O4-SMP复合基底材料进行逐行扫描，扫描间距为0.02-0.03mm，扫描功率、扫描速度、扫描次数分别为2000-3000mW、250mm/s、2-3次，扫描后形成底座和微柱阵列，如图3所示。微柱阵列包括多个大小相同且依次均匀间隔设置的柱体。单个柱体的长宽高在几十微米的范围内。微柱阵列的粗糙结构在提供高疏水或超疏水性能的同时，也便于后续温度响应聚合物接枝。
飞秒激光具有超短脉冲宽度和极高峰值强度，这些特性赋予飞秒激光烧蚀几乎所有已知材料的能力，并通过简单的一步烧蚀过程直接在材料表面产生各种微/纳米结构。相比传统的光刻、蚀刻、纳米粒子喷涂和模板辅助等复杂的工艺，飞秒激光具有出色的高精度冷加工特点，在加工过程中不需要模板转印，工艺步骤简单、成本低、图案可控性高、通用性强且具备高度的时间与空间可控性等优点。
其中，预设图形根据微柱阵列的形状进行绘制，例如微柱阵列的柱体为四棱柱，则预设图形为网格图案，如图2所示，且在L为0.03mm，T为0.05mm时具有超疏水性能。在可行的实现方式中，柱体也可以是棱柱、圆柱或圆台形状。
步骤30，将粗糙结构放置在盛装有氟硅烷溶液的密闭容器中密封第一预设时长，以降低材料表面能。其中，密封时长为1-5小时，优选地，在80℃温度下密封4小时，氟硅烷溶液浓度为100％。
步骤40，制备温度响应聚合物接枝溶液；
优选地，温度响应聚合物为PNIPAAM，步骤40的具体步骤为：将N，N，N’，N”，N”-五甲基二亚乙基三胺(0.28ml)、溴化亚铜(0.064g，0.46mmol)和PNIPAAM(1.6g)溶解在CH3OH和H2O(10mL)的摩尔比为1：1的混合物中，并对溶液进行脱气处理，得到PNIPAAM接枝溶液。
温度响应聚合物同时具备亲水基团与疏水基团，其结构会随着温度上升而产生变化，结构折叠呈现疏水性，从而产生超疏水表面，在温度回复到室温后，温度响应聚合物恢复为原来的舒展结构，呈现亲水性，使得材料表面粗糙度恢复为超亲水。
步骤50，将经过步骤30处理后的粗糙结构全部浸入PNIPAAM接枝溶液中，在室温下持续反应第二预设时长，以在粗糙结构的表面接枝PNIPAAM高分子材料，得到智能表面结构；第二预设时长为1-2小时。微柱阵列的粗糙结构表面积较大，能够在接枝过程中充分接触，提升了接枝效果。
步骤60，将智能表面结构进行清洁干燥。具体地，使用大量乙醇和水清洁接枝后的智能表面结构，随后在氮气下干燥。
本实施例中，在智能结构表面上，可以通过红外光照时间控制材料表面的温度，以达到调节聚合物PNIPAAM的结构，从而调控表面的润湿性能。在常温时，智能表面结构呈现超亲水(<10°)性能，液滴可以很快地润湿表面，而在红外光照射一段时间后，表面温度上升，智能表面结构表面呈现高疏水(>135°)性能，该性能在红外光照射结束后消失(将红外光移开)，表面会快速重新呈现高润湿性的亲水性。智能表面结构表面呈现疏水性时，微柱阵列的粗糙结构能够进一步提升表面的超疏水性能。
如图4和图5所示，在干燥的智能表面结构上滴加液滴，并使用红外光照射以验证润湿性能，在无红外激光照射时，液滴很快浸润表面，呈现超亲水状态(如图4所示，一分钟后液滴示意图)；在红外激光照射时，液滴始终保持超疏水状态(如图5所示，红外激光照射一分钟后液滴示意图)；激光移开后，表面重新回到超亲水属性。
本实施例通过在形状记忆材料(SMP)中添加纳米四氧化三铁得到光热响应材料，将温度响应聚合物接枝在Fe3O4-SMP复合基底材料形成的粗糙结构上，将温度响应切换润湿性表面转变为光热响应，通过红外光照时间控制材料表面的温度，以达到调节聚合物的结构，从而调控表面的润湿性能。本发明的智能表面使用时无需直接接触冷热源设备，降低了操作环境的约束性，不但扩展了使用场景，提升了通用性，而且温度升降切换易于控制(只需移动光束)，操控简单，提高了切换效率和可控性。
此外，基于智能表面结构通过光热控制液滴浸润速度的特点，可以应用于一种亲水性微流体路径，该路径具体如图6所示：
将智能表面结构进行图案化的处理，形成两条通道路径，液滴由端圆滴入，由于智能表面结构的亲水性能迅速浸润，由分岔口等速流入两条通道路径，由于两条路径的形状长度完全一致，在没有外界干扰的情况下，液体将以相同的时间到达终点。若在液体运输过程中，将一束近红外光照射在其中一侧的通道路径上，则该侧的温度升高，表面的高分子材料呈现出疏水状态，液滴停止浸润，两条通道将呈现各向异性。直至将近红外光束移开，路径才会继续进行亲水运输。因此制造的微流体系统，以控制水在微流体通道中的流动行为，实现润湿性可控的定向液体/液滴传输。所呈现的结果有望为智能多功能表面的在诸多领域提供更广阔的应用前景。
实施例二
本发明实施例的第二方面提供一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构，根据实施例一的制备方法制备得到，包括：微柱阵列和底座；微柱阵列固定设置在底座上；微柱阵列和底座的表面接枝有温度响应聚合物。
优选地，微柱阵列包括多个大小相同且依次均匀间隔设置的柱体。温度响应聚合物为PNIPAAM。
实施例三
本发明实施例的第三方面提供一种电子设备，包括设备主体，设备主体的至少部分表面采用实施例二的智能表面结构；设备主体为传感器、分离器、微流控设备或药物输送设备。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10，在形状记忆材料原溶液中加入纳米四氧化三铁，加热后固化得到Fe3O4-SMP复合基底材料；
步骤20，通过飞秒激光加工系统根据预设图形在所述Fe3O4-SMP复合基底材料上进行扫描，形成粗糙结构，所述粗糙结构包括微柱阵列和底座；
步骤30，将所述粗糙结构放置在盛装有氟硅烷溶液的密闭容器中密封第一预设时长；
步骤40，制备温度响应聚合物接枝溶液；
步骤50，将经过步骤30处理后的粗糙结构全部浸入所述温度响应聚合物接枝溶液中，持续反应第二预设时长，以在所述粗糙结构的表面接枝温度响应聚合物，得到智能表面结构；
步骤60，将所述智能表面结构进行清洁干燥。
2.根据权利要求1所述的一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法，其特征在于，所述步骤10的具体步骤为：
步骤11，将双酚A二缩水甘油醚、间苯二甲胺与正辛胺以摩尔比5：2：1的比例混合，得到所述形状记忆材料原溶液；
步骤12，在所述形状记忆材料原溶液中加入纳米四氧化三铁，搅拌均匀后在60℃下加热2小时，之后在100℃下加热1小时，然后固化得到所述Fe3O4-SMP复合基底材料。
3.根据权利要求1所述的一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法，其特征在于，所述飞秒激光加工系统的扫描间距为0.02-0.03mm，扫描功率、扫描速度、扫描次数分别为2000-3000mW、250mm/s、2-3次。
4.根据权利要求1所述的一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法，其特征在于，所述预设图形通过CAD生成。
5.根据权利要求1所述的一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法，其特征在于，所述温度响应聚合物为PNIPAAM，所述步骤40的具体步骤为：将N，N，N’，N”，N”-五甲基二亚乙基三胺、溴化亚铜和PNIPAAM溶解在CH3OH和H2O的摩尔比为1：1的混合物中，并对溶液进行脱气处理，得到PNIPAAM接枝溶液。
6.根据权利要求1所述的一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法，其特征在于，所述第二预设时长为1-2小时。
7.根据权利要求1所述的一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构的制备方法，其特征在于，所述微柱阵列包括多个大小相同且依次均匀间隔设置的柱体。
8.一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构，其特征在于，根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到，包括：微柱阵列和底座；
所述微柱阵列固定设置在所述底座上；
所述微柱阵列和所述底座的表面接枝有温度响应聚合物。
9.根据权利要求8所述的一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构，其特征在于，所述微柱阵列包括多个大小相同且依次均匀间隔设置的柱体；
所述温度响应聚合物为PNIPAAM。
10.一种电子设备，其特征在于，包括设备主体，所述设备主体的至少部分表面采用如权利要求8或9所述的智能表面结构；
所述设备主体为传感器、分离器、微流控设备或药物输送设备。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310603868.XA CN116854976A (zh) | 2023-05-25 | 2023-05-25 | 一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构、制备方法及电子设备 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202310603868.XA CN116854976A (zh) | 2023-05-25 | 2023-05-25 | 一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构、制备方法及电子设备 |
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| CN116854976A true CN116854976A (zh) | 2023-10-10 |
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ID=88227449
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| CN202310603868.XA Pending CN116854976A (zh) | 2023-05-25 | 2023-05-25 | 一种光热控制液滴浸润速度的智能表面结构、制备方法及电子设备 |
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| CN (1) | CN116854976A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102526810A (zh) * | 2012-02-22 | 2012-07-04 | 四川大学 | 人工皮肤替代材料及制备方法 |
| US20130303981A1 (en) * | 2011-04-12 | 2013-11-14 | University Of British Columbia | Shape memory materials by surface modification |
| CN105153864A (zh) * | 2015-08-19 | 2015-12-16 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种光热致形状记忆复合材料及其制备方法 |
| CN107474297A (zh) * | 2017-09-07 | 2017-12-15 | 哈尔滨工业大学 | 一种利用形状记忆聚合物和温度响应分子来协同调节浸润性的方法 |
| CN113292758A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-08-24 | 南京工业大学 | 一种同时具有电和温度响应的形状记忆复合材料及其制备方法和在固定化细胞中的应用 |
-
2023
- 2023-05-25 CN CN202310603868.XA patent/CN116854976A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| XUE BAI ET AL.: ""Remote, selective, and in situ manipulation of liquid droplets on a femtosecond laser-structured superhydrophobic shape-memory polymer by near-infrared light"", 《SCIENCE CHINA CHEMISTRY》, vol. 64, no. 5, 15 May 2021 (2021-05-15), pages 861, XP037446515, DOI: 10.1007/s11426-020-9940-6 * |
| 郑俊民等: "《药用高分子材料学》", 31 August 2000, 中国医药科技出版社, pages: 112 - 113 * |
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