一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性、调控液滴移动及引起液滴弹跳的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性、调控液滴移动及引起液滴弹跳的方法，该方法在热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；将复合材料置于空气中或二甲基硅油中，在复合材料表面滴上水滴，使用光照调控液滴在固体表面的润湿性，液滴的移动以及液滴的弹跳，具有全程远程非接触，可控性好，循环性好，不用制备电极，不用连接导线等优势，调控液滴在固体表面的方法操作简单，耗时短。

A method based on pyroelectric effect to reversibly regulate the wettability of droplets on solid surface, to regulate the movement of droplets and to cause droplet bounce

The present invention relates to a method for reversibly regulating the wettability of droplets on solid surface, regulating the movement of droplets and causing droplet bounce based on pyroelectric effect. The method is to prepare a superhydrophobic layer with uniform thickness on the surface of pyroelectric materials; to prepare a layer of uniform thickness absorbent layer on the lower surface of pyroelectric materials to obtain composite materials; and to place composite materials in air or dimethyl silicone oil. Using light to control the wettability, movement and bounce of droplets on the surface of composite materials has the advantages of long-distance non-contact, good controllability, good circulation, no preparation of electrodes, no connection of wires and so on. The method of controlling droplets on the surface of solid is simple and time-consuming.

【技术实现步骤摘要】
一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性、调控液滴移动及引起液滴弹跳的方法
本专利技术涉及一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性、调控液滴移动及引起液滴弹跳的方法，属于材料表面润湿性控制领域。
技术介绍
润湿性是许多工程和工业技术的核心，其在采油，润滑，液体涂层，印刷，生物过程等领域非常重要。固体表面润湿性可以直观地通过液体的接触角来衡量，当气-液界面与固体表面相遇达到三相平衡时，液相与固相之间形成的夹角即为接触角。固体表面的接触角由杨氏方程(Young’sequation)描述，在光滑平面上，其表达式为：式中γ为界面张力，S,V,L分别代表固，气，液三相(气相也可以被另一种不混合的液相替代)。由杨氏方程可知，表面能与接触角密切相关，润湿性的调控是指：在外部条件的刺激下，润湿特性发生的可逆转变。现有技术的润湿特性发生可逆转变的外部条件主要包括紫外光照，加热，电场，磁场，超声波等。1.紫外光照通过紫外光照的方式改变固体表面润湿性起自1997年R.Wang等人在Nature的报道，他们发现TiO2薄膜被带隙以上的紫外光照射一段时间后，其表面将转变为超亲水态，接触角由72°转变为0°，同时在黑暗下放置数天后，接触角将回复至初始状态，并且通过紫外光照射超亲水态可以重复获得。该方法的缺点在于润湿性转换所需时间较长。2.加热2001年，Ren-DeSun等人报道了ZnO和TiO2薄膜的超亲水态不但可以通过紫外光照射实现，而且可以通过加热实现。ZnO和TiO2薄膜的初始接触角分别为109°和54°，在空气气氛下经过300℃加热1h后，接触角变为接近0°的超亲水态。该方法的缺点在于润湿性转换所需时间较长。3.电场电场对接触角的调控是指通过改变液滴与固相介电层之间的电压改变液滴与固相介电层之间的表面张力，最终使接触角改变。Young方程描述了接触角与表面张力的关系。1875年，Lippmann观察到通过在汞与接触的电解液之间施加电场，可以发生汞的电毛细下降现象，并基于吉布斯界面热力学推出电润湿Young-Lippmann方程，这个方程描述了在外加电场情况下，接触角和外加电场之间的关系。2010年，MaesoonIm等人报道了在柔性PDMS微透镜阵列上的电润湿行为，通过在基底与去离子水液滴之间施加0～200V的电压，可以使接触角由初始的140°转变为58°，并且当电压小于100V时，接触角的变化是可逆的。该方法的缺点在于需要在材料表面制备电极并用导线进行连接。4.磁场磁场对表面润湿性的调控一般是在含铁磁性的基底上进行或是对磁性液滴进行。G.Glavan等人将羰基铁粉末掺入PDMS基底制备了一种磁性弹性体，然后施加磁场发现接触角随着外加磁场的改变而改变。该方法的缺点在于制备过程复杂，制备周期相对较长，调控所需时间较长。5.超声波1998年，N.Sakai等人在Langmuir上报道了在纯水中对经紫外光照射至超亲水态的TiO2薄膜使用超声波(45KHz)处理，可以使接触角由超亲水态的0°转变为11°，循环进行紫外光照和超声波处理，接触角可以在0°～11°之间转变。该方法的缺点在于调控所需时间较长，且转变范围有限。现有技术的不足是：实现反复调控比较复杂，调控所需时间较长，且转变范围有限。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面润湿性、调控液滴移动及引起液滴弹跳的方法。术语解释热释电效应：当晶体被加热或冷却时，晶体中的原子会发生相对位移，正负电荷重心之间的距离也会改变，从而引起晶体自发极化发生变化，在材料两端会产生一个瞬时电压。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，包括步骤如下：1)提供一热释电材料；2)热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；3)热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；4)将复合材料置于空气中或二甲基硅油中，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，使用一个光源对材料吸光层进行照射或从底部加热，停止照射或加热，待材料温度冷却到初始状态时，实现基于热释电效应利用光照可逆调控液滴在固体表面的润湿性。根据本专利技术优选的，步骤1)中所述的热释电材料为铌酸锂LiNbO3晶片、钽酸锂LiTaO3晶片、氧化锌ZnO晶片或聚偏氟乙烯PVDF片。根据本专利技术优选的，步骤2)中所述的超疏水层为特氟隆Teflon层、NeverWet层或1H,1H,2H,2H-全氟十二烷硫醇层，超疏水层的厚度为5-50μm。根据本专利技术优选的，步骤3)中所述的吸光层为油性吸光涂层，油性吸光涂层为油性黑色墨水涂层或饱和碳粉水溶液，吸光层的厚度为0.1-10μm。根据本专利技术优选的，步骤4)中所述的光源为可以被吸光层吸收的光源。进一步优选的，将复合材料置于空气中调控润湿性能时，采用的光源为红外光，光源波长为1064nm，光功率密度为150mW/cm2,照射时间2min。将复合材料置于二甲基硅油中调控润湿性能时，采用的光源为红外光，光源波长为1064nm，光功率密度为100mW/cm2,照射时间6s，二甲基硅油在25℃时密度为0.966-0.974g/cm3，在50秒之内就可以完成接触角由160°→77°→160°一个循环过程。一种基于热释电效应对液滴的移动进行调控的方法，包括步骤如下：1)提供一热释电材料；2)热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；3)热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；4)将复合材料完全浸没入二甲基硅油中倾斜放置，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，水滴受到重力作用向下滚动，在液滴滚动的路径处使用一个光源进行照射，水滴静止在光照处，同时水滴形状将发生变形，停止光照后，水滴继续向下滚动，从而实现对水滴的移动调控。根据本专利技术优选的，步骤4)中倾斜角度为30-60°。根据本专利技术优选的，步骤4)中采用的光源为红外光，光源波长为1064nm，光功率密度为50mW/cm2。一种基于热释电效应引起液滴弹跳的方法，包括步骤如下：1)提供一热释电材料；2)热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；3)热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；4)将复合材料完全浸没入二甲基硅油中，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，以功率密度大于等于200mW/cm2的1064nm红外光进行照射，水滴在样品表面发生弹跳现象。本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术采用的超疏水层制备方法简便，超疏水性优异。2.本专利技术调控液滴在固体表面的方法操作简单，而且耗时短，润湿性可逆调控仅需1-2分钟，调控液滴移动需要10s，引起液滴弹跳需要3s。3.本专利技术使用光照调控液滴在固体表面的润湿性的改变，液滴的移动，液滴的弹跳，全程远程非接触，可控性好，循环性好，不用制备电极，不用连接导线。附图说明图1为本专利技术实施例1所述接触角测试仪的结构示意图；1：底座；2：CCD相机；3：针管；4：载样品台；5：照明灯；图2为本专利技术实施例1所述实验过程示意图；图3为实施例1中样品在空气中光照前，光照中，光照后接触角的变化对比图图4为实施例2中样品在二甲基硅油中，光照前，光照中，光照后接触角的变化对比图图5为实施例2中样品在二甲基硅油中，多次循环光照后，接触本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，包括步骤如下：1)提供一热释电材料；2)热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；3)热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；4)将复合材料置于空气中或二甲基硅油中，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，使用一个光源对材料吸光层进行照射或从底部加热，停止照射或加热，待材料温度冷却到初始状态时，实现基于热释电效应利用光照可逆调控液滴在固体表面的润湿性。

【技术特征摘要】
1.一种基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，包括步骤如下：1)提供一热释电材料；2)热释电材料上表面制备一层厚度均匀的超疏水层；3)热释电材料下表面制备一层厚度均匀的吸光层，得复合材料；4)将复合材料置于空气中或二甲基硅油中，在复合材料超疏水层表面滴上一滴水滴，使用一个光源对材料吸光层进行照射或从底部加热，停止照射或加热，待材料温度冷却到初始状态时，实现基于热释电效应利用光照可逆调控液滴在固体表面的润湿性。2.根据权利要求1所述的基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，其特征在于，步骤1)中所述的热释电材料为铌酸锂LiNbO3晶片、钽酸锂LiTaO3晶片、氧化锌ZnO晶片或聚偏氟乙烯PVDF片。3.根据权利要求1所述的基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，其特征在于，步骤2)中所述的超疏水层为特氟隆Teflon层、NeverWet层或1H,1H,2H,2H-全氟十二烷硫醇层，超疏水层的厚度为5-50μm。4.根据权利要求1所述的基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，其特征在于，步骤3)中所述的吸光层为油性吸光涂层，油性吸光涂层为油性黑色墨水涂层或饱和碳粉水溶液，吸光层的厚度为0.1-10μm。5.根据权利要求1所述的基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，其特征在于，步骤4)中所述的光源为可以被吸光层吸收的光源。6.根据权利要求5所述的基于热释电效应可逆调控液滴在固体表面的润湿性的方法，其特征在于，将复合材料置于空气中调控润湿性能时，采用的光源为红外光，光源波长为1064nm，光功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘铎，颜为山，罗雯耀，张冬冬，赵超鹏，张汪阳，韩素芹，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37