包含润湿性结构化表面的物件制造技术

本发明专利技术的实施例包括或包含具有一个或多个凸起体的超润湿结构化表面，有时称为半毛细作用表面。具有凸起体（诸如方柱或锥台）的规则阵列的结构化基板是自石墨块机械加工且随后处理以使其亲液。液体铺展于该表面上以产生非圆形润湿面积。因为凸起体之间所形成的管道较浅或较窄，所以液体更多地发生毛细作用且铺展于较大面积上。基板的固有可润湿性与基板无关或几乎无关。适当的表面结构和适度的固有可润湿性的组合可有效地使液体变平，从而使其铺展于极大面积上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含润湿性结构化表面的物件本申请案要求2007年5月23日申请的美国临时专利申请案第60/939，709号的权利，该案的内容以全文引用的方式并入本文中。
技术介绍
广泛范围的实际应用可受益于使液体完全铺展的亲液表面。这种应用可包括干燥、流体处理系统中的气泡的减少或如燃料电池的具有流体-液体多相流的器件或装置中的管道阻塞的减少。虽然有方法可使得平滑疏液表面可润湿，但实际上若使这些表面暴露于周围环境中则难以维持其亲液性。这些高能量表面可快速吸引烃及其他低能量污染物，并且因此其亲液性减弱。亲液性与表面形貌(surface topography)组合的润湿现象可通过超润湿、超铺展、结构辅助润湿和半毛细作用(hemi-wicking)来描述。如果使同一类型的表面具疏液性，则其可展示超疏液或超排斥性能。润湿是由两种竞争力确定。当液滴附着于固体表面上时，接触线处的分子间相互作用向下拖曳该液滴。自气-液界面的角度而言，液滴被迫进行铺展。在置放于表面上之前，液滴已通过使其面积最小化而使其表面能最小化。在表面上，当这些完全相反的力达到平衡时，液滴停止铺展。在平坦光滑平面上，通常由图2所示的前进接触角6a来量化液滴的铺展程度。若ea实质上大于零，例如5-10°，则认为液体部分润湿。另一方面，对于平坦光滑平面而言，认为零或接近零(例如0-5°)的ea值表征完全润湿。
技术实现思路
本专利技术的实施例包括或包含具有一个或多个经处理具有凸起体(asperity)的表面的基板，所述凸起体在凸起体之间形成交叉的毛细管道，以使经处理具有凸起体的表面可具有如由固着水滴所测量的小于该基板未经处理无凸起体的表面至少30。的前进接触角，在一些实施例中小于该基板未经处理无凸起体的表面至少40。的前进接触角。具有较大前进接触角的经处理表面更具可润湿性。经处理具有凸起体的表面的特征在于通过液体铺展于经处理具有凸起体的表面上所润湿的面积与附着于经处理具有凸起体的表面上的液滴的体积成比例，且其中接触线处液体与经处理具有凸起体的表面的相互作用的强度大于与气-液界面张力有关的恢复力。经处理具有凸起体的表面上的液体被完全吸入交叉的毛细管道中，且液体在凸起体侧面上形成前进接触角且在凸起体之间形成弯月面。在本专利技术的一些实施例中，凸起体具有自凸起体之间所形成的毛细管道的基底起约90。的升角，凸起体具有一个或多个单位单元(imitcell)，该一个或多个单位单元具有小于1500微米的尺寸y、小于1000微米的最大表面特征尺寸x及小于1000微米的高度尺寸z。本专利技术的另一实施例为包括或包含具有一个或多个经处理具有凸起体的表面的基板的物件，凸起体在凸起体之间形成交叉的毛细管道，并且该经处理具有凸起体的表面具有如由固着水滴所测量的小于该基板未经处理无凸起体的表面至少30。的前进接触角，且在某些情况下小于该基板未经处理无凸起体的表面至少40。的前进接触角。经处理具有凸起体的表面的特征在于通过液体铺展于该经处理具有凸起体的表面上所润湿的面积与附着于该经处理具有凸起体的表面上的液滴的体积成比例，且藉此结构化表面上被吸入毛细管道中的液体在凸起体侧面上不形成前进接触角，且其中液体在该凸起体之间不形成弯月面。在一些实施例中，凸起体具有小于90。的升角，且凸起体之间形成的毛细管道具有一个或多个单位单元，该一个或多个单位单元具有小于1200微米的尺寸y、小于800微米的最大表面特征尺寸x及小于500微米的高度尺寸z。本专利技术的另一实施例为具有一个或多个经处理具有凸起体的表面的基板，凸起体在凸起体之间形成交叉的毛细管道。经处理具有凸起体的表面可具有如由固着水滴所测量的小于该基板未经处理无凸起体的表面至少30。的前进接触角，在一些实施例中小于该基板未经处理无凸起体的表面至少40。的前进接触角。经处理具有凸起体的表面的特征在于通过液体铺展于经处理具有凸起体的表面上所润湿的面积与附着于经处理具有凸起体的表面上的液滴的体积成比例，且其中根据以下方程式的接触线液体力之比(thecontact liquid force ratio)f线/f液等于或大于1.4，其中f线为接触线处的力且f液为阻止液体铺展的界面力f线/f液-cos9a[l+2(z/yXcscco-cotcoXI.其中尺寸z为管道高度，尺寸y为单位单元的量度，co为平均升角且为约90°，且ea为水的前进接触角；且其中经处理具有凸起体的表面为水的完全适应的润湿半毛细作用表面(ililly compliant wetting hemi-wicking surfacefor water)。在一些实施例中，凸起体之间所形成的毛细管道具有一个或多个单位单元，该一个或多个单位单元具有小于1200微米的尺寸y、小于800微米的最大表面特征尺寸x及小于500微米的高度尺寸z。在一些实施例中，凸起体可形成方阵列。有利地，本专利技术的实施例中所包括的表面及物件可具有增强的亲水性及亲液性。改进的润湿可在广泛实际应用中得以应用，这是因为这种亲液表面可使液体完全铺展。这种应用可包括干燥、流体处理系统或光致抗蚀剂包装中的气泡的减少，或如燃料电池的利用经由具有流体-液体多相流的小的管道的开放气流的器件或装置中'的管道阻塞的减少。这种表面还可减少液体处理组件(诸如过滤器及外壳)的冲洗时间，和减少可用水溶液清洗的晶片载体、圆盘运送装置、头部托盘及其类似物的干燥时间。本专利技术的实施例中的表面亦可降低化学品用量且改进干燥时间。附图说明图1为已铺展于光滑且结构化的石墨表面上的4微升水滴。两表面均已处理以使其前进接触角为9a=40° 。结构化表面由方柱(凸起体)的规则阵列组成，该方柱具有x-390tim的宽度、y-770lim的单位单元宽度及z-420^m的高度。(a)为光滑表面的润湿面积的平面图，(b)为润湿的光滑表面的侧视图，(c)为润湿的结构化表面的平面图，(d)为润湿的经处理具有凸起体的表面的侧视图。(d)中所插入的图像显示在液体附着之前经处理具有凸起体的表面的侧视图。 '图2为已铺展于光滑固体表面上的小的固着液滴。(a)为显示前进接触角6a的侧视图。(b)为显示圆形接触面积As的平面图。图3为由锥台(pyramidal frustra)作为凸起体的规则阵列组成的表面的示6意图。(a)为平面图，(b)为侧视图，(c)为润湿单位单元的放大侧视图。图4为产生一个光滑部分、两个具有平行凹槽的部分及一个具有特征或凸起体的规则阵列的部分的机械加工图案的平面图。图5为结构化半毛细作用表面上的水润湿单元的数目n及润湿面积A,其中几何形状恒定且亲液性变化。表面是由方柱凸起体("=90°展盖，其中x"380um， y"780um且z&42Diim。点为实验数据实线来自方程式(20)及(21)。图6中为结构化半毛细作用表面上各种液体润湿的单元数目n及润湿面积A。结构化表面是由方柱凸起体阵列("=90° )覆盖，其中x"380ym，y"780um且z"420um。液体为水(63=40° )、甲酰胺(FA)( e a=26° )及乙二醇(EG)(6a:17。)。点为实验数据；实线来自方程式(20)及(21)。图7中为一系列结构化半毛细作用表面上的水润湿的单元数目n及润湿面积A，其中方柱凸起体("=本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种物件，其包含：　具有一个或多个经处理具有凸起体的表面的基板，所述凸起体在所述凸起体之间形成交叉的毛细管道，所述经处理具有凸起体的表面具有如由固着水滴所测量的小于所述基板的未经处理无凸起体的表面至少３０°的前进接触角；　所述经处理具有 凸起体的表面的特征在于，通过液体铺展于所述经处理具有凸起体的表面上所润湿的面积与附着于所述经处理具有凸起体的表面上的液滴的体积成比例，并且其中在接触线处所述液体与所述经处理具有凸起体的表面的相互作用的强度大于与气－液界面张力有关的恢复力，由此所述经处理具有凸起体的表面上的液体被完全吸入所述交叉的毛细管道中，并且所述液体在所述凸起体的侧面上形成前进接触角并在所述凸起体之间形成弯月面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：CW伊斯特兰，文圣仁，
申请(专利权)人：安格斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]