一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面及其构建方法技术

本发明专利技术公开了一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面及其构建方法，该方法包括以下步骤：预处理，构建微纳复合结构二级表面，构建具有化学梯度的润湿梯度表面，构建化学梯度/润湿图案的润湿梯度表面，自发长距离输运；制备的润湿梯度表面具有良好的微液滴自发长距离输运能力，当微液滴体积在10μL以内时，输运距离达20mm以上。本发明专利技术的有益之处在于：本发明专利技术的构建方法工艺过程简单、制作成本低，且对环境无污染；对基体材料的形状、规模、材质以及制备环境无严格要求；制备得到的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面同时具有化学梯度和润湿图案特征，在制造冷凝管件、自清洁表面、微流控器件、防结冰表面等领域均有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面及其构建方法
本专利技术属于金属材料表面处理与改性
，具体涉及一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面及其构建方法。
技术介绍
液体与固体表面间的润湿现象被称为润湿性，它是固体的表面重要特性之一。近年来，科研人员通过研究，发现自然界中的荷叶、水稻叶、蝴蝶翅膀和鱼鳞等生物为了适应逐渐变化的环境进化出了多种具有特殊功能的微观结构，这些结构带来了表面润湿性能的不均匀性。这种不均匀的润湿特性有利于水在生物表面的自发运输、贮存等过程。目前，科研人员正在研究如何在仿生学的基础上实现非均匀润湿表面的多功能化。研究发现表面润湿特性呈梯度分布的材料(润湿梯度材料)具有使液滴定向运输的功能，这一发现被认为将在微流控器件、喷墨、油水分离及防结冰等许多领域具有重要的应用价值。润湿梯度表面上的液滴长距离运输行为在水收集、生物分析等领域的应用中是十分关键的因素，如何提高液滴的运输距离也是当前的一个主要课题。润湿梯度材料是当前国际领域内的研究热点。此前，研发人员主要考虑利用外加温度场、磁场等方法来达到液滴在固体表面进行定向输运的目的。然而，这些方法需要添加外部辅助器件，不能满足对产品小型化、微型化的要求。在此基础上，研究人员又提出了通过构建润湿梯度材料的方法来实现液滴的自发输运行为，构建润湿梯度表面的方法一般分为构建表面形貌梯度、表面化学组成梯度及亲水/疏水表面图案三种。这种方法具有设计灵活，制备成本低，经济效益高，应用领域广的优势；然而，目前的研究大多存在着液滴无法实现自运输或是液滴的输运距离有限(大多采用体积在10μL以内的微液滴，输运距离通常在10mm之内)等局限性。例如在专利CN107640739A中，专利技术者使用光刻法在硅基底上构建了润湿梯度表面，达到了液滴自发运输的目的。然而，这种方法制备步骤较为繁琐，且对材料基底的要求很高；此外，当液滴体积小于10μL时，液滴的运输距离也小于10mm。因此，为了促进和发展润湿梯度材料在水收集、微流控器件及防结冰等领域的应用，急需开发一种制备方法简单、成本低，并且能够实现微液滴自发长距离输运的润湿梯度表面及其构建方法。
技术实现思路
为了弥补现有技术在润湿梯度材料对基底要求高、制备困难、制备方法复杂、液滴自发运输距离较短等方面的不足，本专利技术提供了一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面及其构建方法。该方法从化学成分梯度的角度出发制备润湿梯度表面，可在多种基底上构建润湿梯度表面，且在表面上增加亲水/疏水润湿图案特性，采用该方法制备得到的具有化学梯度/润湿图案特性的润湿梯度表面，能够使液滴实现自发地长距离输运，促进和发展了润湿梯度材料在水收集、微流控器件及防结冰等领域的应用。本专利技术提供的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法，包括以下步骤：(1)预处理：以金属材料或单晶硅为基体材料，并对所述基体材料进行预处理；(2)构建微纳复合结构二级表面：在预处理后的基体材料表面构建微米级结构，形成具有较大粗糙度的微米级结构；随后采用纳米加工技术，在所述微米级结构的基础上构建形成微纳复合结构二级表面；(3)构建具有化学梯度的润湿梯度表面：采用蒸汽挥发法，使用含有低表面能物质的溶液在所述微纳复合结构二级表面构建不均匀的单分子自组装膜，获得具有化学梯度的润湿梯度表面；(4)构建化学梯度/润湿图案的润湿梯度表面：采用紫外光照法，通过掩膜版遮挡，在所述具有化学梯度的润湿梯度表面上构建具有亲水/疏水图案，制备得到具有化学梯度/润湿图案的润湿梯度表面；紫外光照法中的紫外光通过掩膜版的镂空部分可形成超亲水图案，紫外光被掩膜版遮挡的部分依然处于超疏水状态；(5)自发长距离输运：将微液滴置于所述具有化学梯度/润湿图案的润湿梯度表面上，观察所述微液滴的自发输运范围。进一步的，步骤(1)中所述金属材料可以为铝合金、钛合金、铜合金、镁合金、钴基合金或不锈钢。进一步的，步骤(2)中所述构建微米级结构的方法包括喷沙法、强酸刻蚀法和阳极氧化法；所述纳米加工技术包括阳极氧化法、水热法、化学刻蚀法和酸/碱刻蚀法。进一步的，步骤(3)中所述低表面能物质包括氟硅烷、月桂酸、硬脂酸之一；所述溶液为质量浓度为1-20％的乙醇溶液。进一步的，步骤(4)中所述紫外光照法采用的紫外光波长范围为100～200nm，且紫外光照射时间为5～20min。进一步的，步骤(4)中超亲水图案为楔形图案或等腰三角形图案，且所述掩膜版的镂空部分的最大宽度≤3mm、最短长度≥20mm。进一步的，步骤(5)中所述微液滴的体积为4～10μL，且所述微液滴的自发输运范围为20mm以上。本专利技术还提供了一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面，所述润湿梯度表面采用前述任意一项所述的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法构建获得。本专利技术的有益之处在于：1本专利技术的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法工艺过程简单、制作成本低，对制备环境及基体材料要求不严格，且对环境无污染。2本专利技术的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法是从化学成分梯度的角度出发，并在表面上增加亲水/疏水润湿图案特性，提出的一种能使得微液滴自发长距离输运，同时具有化学梯度/润湿图案特征的润湿梯度表面的构建方法。3本专利技术的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法对基体材料的形状及规模无严格要求，在片状、板状、管状等基材上均可制备润湿梯度表面。4本专利技术的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法对基体材料的材质无严格要求，可以为金属基体如铝合金、钛合金、铜合金、镁合金、钴基合金、不锈钢等，也可以为非金属材料如单晶硅等。5本专利技术的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面具有良好的微液滴自发长距离输运能力，当微液滴体积在10μL以内时，输运距离可以达到20mm以上。6本专利技术的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面同时具有化学梯度和润湿图案特征。7本专利技术的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面在制造冷凝管件、自清洁表面、微流控器件、防结冰表面等领域均有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的结构示意图；图2为本专利技术实施例1的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法中紫外光照射对样品表面氟硅烷分子进行光降解过程的示意图；图3为本专利技术实施例3的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法中构建的所述微纳复合结构二级表面的扫描电镜形貌图；图4为本专利技术实施例3的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法中构建的所述具有化学梯度的润湿梯度表面的接触角变化趋势图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)预处理：以金属材料或单晶硅为基体材料，并对所述基体材料进行预处理；/n(2)构建微纳复合结构二级表面：在预处理后的基体材料表面构建微米级结构，形成具有较大粗糙度的微米级结构；随后采用纳米加工技术，在所述微米级结构的基础上构建形成微纳复合结构二级表面；/n(3)构建具有化学梯度的润湿梯度表面：采用蒸汽挥发法，使用含有低表面能物质的溶液在所述微纳复合结构二级表面构建不均匀的单分子自组装膜，获得具有化学梯度的润湿梯度表面；/n(4)构建化学梯度/润湿图案的润湿梯度表面：采用紫外光照法，通过掩膜版遮挡，在所述具有化学梯度的润湿梯度表面上构建具有亲水/疏水图案，制备得到具有化学梯度/润湿图案的润湿梯度表面；紫外光照法中的紫外光通过掩膜版的镂空部分可形成超亲水图案，紫外光被掩膜版遮挡的部分依然处于超疏水状态；/n(5)自发长距离输运：将微液滴置于所述具有化学梯度/润湿图案的润湿梯度表面上，观察所述微液滴的自发输运范围。/n

【技术特征摘要】
1.一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预处理：以金属材料或单晶硅为基体材料，并对所述基体材料进行预处理；
(2)构建微纳复合结构二级表面：在预处理后的基体材料表面构建微米级结构，形成具有较大粗糙度的微米级结构；随后采用纳米加工技术，在所述微米级结构的基础上构建形成微纳复合结构二级表面；
(3)构建具有化学梯度的润湿梯度表面：采用蒸汽挥发法，使用含有低表面能物质的溶液在所述微纳复合结构二级表面构建不均匀的单分子自组装膜，获得具有化学梯度的润湿梯度表面；
(4)构建化学梯度/润湿图案的润湿梯度表面：采用紫外光照法，通过掩膜版遮挡，在所述具有化学梯度的润湿梯度表面上构建具有亲水/疏水图案，制备得到具有化学梯度/润湿图案的润湿梯度表面；紫外光照法中的紫外光通过掩膜版的镂空部分可形成超亲水图案，紫外光被掩膜版遮挡的部分依然处于超疏水状态；
(5)自发长距离输运：将微液滴置于所述具有化学梯度/润湿图案的润湿梯度表面上，观察所述微液滴的自发输运范围。


2.根据权利要求1所述的一种微液滴自发长距离输运润湿梯度表面的构建方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属材料可以为铝合金、钛合金、铜合金、镁合金、钴基合金或不锈钢。


3.根据权利要求1所述的一种微液滴自发长距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶杰，沈一洲，卢阳，许杨江山，谢欣瑜，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32