一种润湿性可调控的超滑超双疏表面及其油控和制备方法技术

一种润湿性可调控的超滑超双疏表面及其油控和制备方法，该表面由超疏油‑超疏水的超双疏区域和图案化超亲油‑超疏水的亲疏区域两部分组成，其制备方法采用脉冲激光加工技术配合图案化改性方法制备。初始时呈润湿性各向同性；亲疏区浸润油后变为超滑区，该表面转变为图案化超滑/超双疏表面，呈润湿性各向异性。通过加油或去油方法可以实时改变润湿性状态，在各向同性与各向异性之间快速转化，并实现类水稻叶各向异性、类蝴蝶翅膀定向粘附性和类仙人掌叶无泵运输特性。本发明专利技术油控法调控表面润湿性灵活多样、响应迅速、操作简单、实施成本低，实现对液滴的实时精确操控。本发明专利技术可应用于生物、医学、化学、集水等多个领域的液滴操控与微流控。

An ultra slippery and ultra hydrophobic surface with adjustable wettability and its oil control and preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种润湿性可调控的超滑超双疏表面及其油控和制备方法
本专利技术涉及液滴操控与微流控表面制备领域，具体涉及一种可用于液滴操控的润湿性可快速调控的图案化超滑超双疏表面以及其油控和制备方法。
技术介绍
液滴操控与微流控在生物、医学、化学、集水等多个领域都具有重要价值。近年来，如何利用浸润性可控的表面对液滴进行有效操控受到了越来越多的关注。一些在化学物质、光、热、磁场等刺激下表面润湿性发生转变的表面也开始在液滴操控领域得到应用。在这些润湿性可控的表面中，那些具有各向异性润湿性并可以对其进行调控的表面具有更为重要的应用前景，因为这些表面可以更好地控制液滴的运动轨迹与运动行为。目前，调节表面润湿性各向异性的方法主要基于两种方式：一种是通过改变材料表面上局部区域微米级和纳米级阵列的取向，来改变液滴与表面的接触面形状，从而实现表面润湿性各向异性。文献(Cheng,Z.,etal.(2018)."SuperhydrophobicShapeMemoryPolymerArrayswithSwitchableIsotropic/AnisotropicWetting."AdvancedFunctionalMaterials28(7))通过调节形状记忆材料表面的微纳结构取向改变了表面的润湿各向异性。利用该方法制备出的表面可以在各向同性超疏水与各向异性超疏水之间进行可逆转化，但需要复杂的工艺和较长的时间，难以实现对液滴的实时操作。另一种是通过改变表面局部区域化学成分来改变表面的润湿行为，进而获得润湿性各向异性。文献(Lai,Y.,etal.(2013)."Insitusurface-modification-inducedsuperhydrophobicpatternswithreversiblewettabilityandadhesion."AdvancedMaterials25(12):1682-1686.)通过在超疏表面局部注射染料可以使表面局部润湿性变为超亲水，这样的图案化超疏水表面可以获得各向异性的润湿性。当表面的染料被擦除时，表面又可以回复到原来的状态。但基于现有技术，改变表面润湿涉及较为复杂耗时的过程，即使实现了润湿性各向异性的调节，也往往难以快速调控。因此如何制备出可以实时快速调控润湿性各向异性的表面是当前重要的课题。基于图案化超疏水表面可以实现对表面润湿各向异性的调节，专利(CN105820749A、CN105776125A)利用超疏水/超亲水图案组成的表面，引导液体沿特定轨道运输甚至是无泵运输，但是基于超疏水/超亲水图案组成的表面，润湿性难以实时调节。而且由于亲水图案的高粘附性，用超疏水超亲水图案对液滴进行操控时，液滴往往会残留在超亲水图案上，造成表面污染和液体浪费。文献(杨晓龙.非均匀润湿性图案化表面加工及其液滴操控研究[D].大连理工大学,2018.)利用亲水轨道实现液滴的各向异性滚动，进而可以控制液滴的运动行为。但同时液滴残留在亲水轨道上，造成待测液体的浪费和表面污染。有鉴于此，我们开发了图案化超滑超双疏表面。该表面由两部分组成，一部分为超疏油-超疏水的超双疏区域，另一部分为图案化的超亲油-超疏水的亲疏区域。该表面在原始状态下呈现出润湿性各向同性，当在超亲油-超疏水的亲疏区域添加油的时候，该区域被油快速浸润变化为类似于猪笼草的仿生超滑表面，整个表面转变为图案化的超滑/超双疏表面，此时该表面具有润湿性各向异性。通过添加或去除油(即油控法)可使表面在润湿性各向同性与各向异性之间进行快速转化，这种表面比图案化超疏水/超亲水表面具有更加丰富的功能，因而有更广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种润湿性可调控的超滑超双疏表面及其油控和制备方法，即利用脉冲激光制备出超双疏区域和图案化亲疏区域，形成图案化超滑超双疏表面，通过油控法使图案化超亲油区域的润湿性快速发生转变，进而改变液滴在整个表面的润湿行为来操控液滴运动。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种润湿性可调控的超滑超双疏表面，其特征在于，该表面底层为超疏油-超疏水的超双疏区域，在超双疏区的局部区域内设有图案化的超亲油-超疏水的亲疏区域；所述的超双疏区域内由微纳米凹角结构组成，其上修饰有十七氟癸基三甲氧基硅烷；所述的亲疏区内由微纳米粗糙结构组成，其上修饰有月桂酸；所述的亲疏区域的粗糙结构的间隙被空气填充时，为超疏水区域，该超疏水区域和超双疏区域组成的表面，呈润湿性各向同性；所述的亲疏区域的粗糙结构的间隙被油填充时为超滑区域，该超滑区域和超双疏区域组成的表面，呈润湿性各向异性。上述技术方案中，所述的微纳凹角结构由微米峰坑和纳米颗粒团簇组成；微米峰的高度为15-60微米，间距为15-100微米，微米坑处于微米峰的间隙位置，深度为15-60微米；纳米颗粒团簇的大小为10-1000纳米，其杂乱地分布在微米峰坑上，微米峰坑表面有些区域凸出，有些区域凹陷。本专利技术所述表面，其另一技术特征是：所述的亲疏区域为等宽条形图案、“>”形图案和楔形图案中的一种或几种。当亲疏区域为等宽条形图案，其条形宽度为20-1000微米时，且亲疏区的粗糙结构的间隙被油填满时，则呈出现水稻叶式各向异性的润湿性；若亲疏区的粗糙结构的间隙被空气填满时，则呈现荷叶式各向同性的润湿性；当亲疏区域为“>”形图案，且“>”形图案的粗细为20-1000微米、分开角度为30-150°时，若亲疏区的粗糙结构的间隙被油填满时，则呈现出蝴蝶翅膀式的定向粘附性；若亲疏区的粗糙结构的间隙被空气填满时，则呈现荷叶式各向同性的润湿性；当亲疏区域为楔形图案，楔形的角度为1-10°时，且亲疏区的粗糙结构的间隙被油填满时，则呈现出仙人掌式的无泵运输特性；若亲疏区的粗糙结构的间隙被空气填满时，则呈现出荷叶式各向同性的润湿性。优选地，所述亲疏区域的等宽条形图案的宽度为50-500微米；所述的“>”形图案的粗细为50-500微米，分开角度为80-100°。本专利技术提供的一种润湿性可调控的超滑超双疏表面的油控方法，其特征在于所述方法包括：1)将油滴加到所述的亲疏区域的粗糙结构的间隙内，使亲疏区转变为超滑区；2)将油从所述的亲疏区域的粗糙结构的间隙内部去除，使其再次被空气填充，使亲疏区转变为超疏区。本专利技术的油控方法中，所述的滴加油的方法采用滴管或注射器；去除油的方法有两种，第一种是用有机溶剂冲洗表面的油；第二种是在常温或加热条件下让油挥发，加热温度为40-90℃。本专利技术提供的一种润湿性可调控的超滑超双疏表面的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)用脉冲激光在金属表面上烧蚀制备出规则排列的微纳米凹角结构；2)对微纳米凹角结构的表面用十七氟癸基三甲氧基硅烷进行修饰，该修饰过程为将激光处理过的表面与0.5-1g的十七氟癸基三甲氧基硅烷一起放入干燥箱中进行加热处理，加热温度为50-150℃，加热时间为0.5-2小时，即得到超疏油-超疏水的超双疏表面；3)用脉冲激光在超双疏表面上的局部区域内进行图案化烧蚀，去除烧蚀区域内的十七本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种润湿性可调控的超滑超双疏表面，其特征在于，该表面底层为超疏油-超疏水的超双疏区域，在超双疏区的局部区域内设有图案化的超亲油-超疏水的亲疏区域；所述的超双疏区域内由微纳米凹角结构组成，其上修饰有十七氟癸基三甲氧基硅烷；所述的亲疏区内由微纳米粗糙结构组成，其上修饰有月桂酸；所述的亲疏区域的粗糙结构的间隙被空气填充时，为超疏水区域，该超疏水区域和超双疏区域组成的表面，呈润湿性各向同性；所述的亲疏区域的粗糙结构的间隙被油填充时为超滑区域，该超滑区域和超双疏区域组成的表面，呈润湿性各向异性。/n

【技术特征摘要】
1.一种润湿性可调控的超滑超双疏表面，其特征在于，该表面底层为超疏油-超疏水的超双疏区域，在超双疏区的局部区域内设有图案化的超亲油-超疏水的亲疏区域；所述的超双疏区域内由微纳米凹角结构组成，其上修饰有十七氟癸基三甲氧基硅烷；所述的亲疏区内由微纳米粗糙结构组成，其上修饰有月桂酸；所述的亲疏区域的粗糙结构的间隙被空气填充时，为超疏水区域，该超疏水区域和超双疏区域组成的表面，呈润湿性各向同性；所述的亲疏区域的粗糙结构的间隙被油填充时为超滑区域，该超滑区域和超双疏区域组成的表面，呈润湿性各向异性。


2.如权利要求1所述的一种润湿性可调控的超滑超双疏表面，其特征在于，所述的微纳凹角结构由微米峰坑和纳米颗粒团簇组成；微米峰的高度为15-60微米，间距为15-100微米，微米坑处于微米峰的间隙位置，深度为15-60微米；纳米颗粒团簇的大小为10-1000纳米，其杂乱地分布在微米峰坑上，微米峰坑表面有些区域凸出，有些区域凹陷。


3.如权利要求1或2所述的一种润湿性可调控的超滑超双疏表面，其特征在于：所述的亲疏区域为等宽条形图案、“>”形图案和楔形图案中的一种或几种。


4.如权利要求3所述的一种润湿性可调控的超滑超双疏表面，其特征在于：
1)当亲疏区域为等宽条形图案，其条形宽度为20-1000微米时，且亲疏区的粗糙结构的间隙被油填满时，则呈出现水稻叶式各向异性的润湿性；若亲疏区的粗糙结构的间隙被空气填满时，则呈现荷叶式各向同性的润湿性；
2)当亲疏区域为“>”形图案，且“>”形图案的粗细为20-1000微米、分开角度为30-150°时，若亲疏区的粗糙结构的间隙被油填满时，则呈现出蝴蝶翅膀式的定向粘附性；若亲疏区的粗糙结构的间隙被空气填满时，则呈现荷叶式各向同性的润湿性；
3)当亲疏区域为楔形图案，楔形的角度为1-10°时，且亲疏区的粗糙结构的间隙被油填满时，则呈现出仙人掌式的无泵运输特性；若亲疏区的粗糙结构的间隙被空气填满时，则呈现出荷叶式各向同性的润湿性。


5.如权利要求4所述的一种润湿性可...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟敏霖，张红军，刘伟建，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11