[发明专利]实现液滴自驱动的梯度润湿表面的制备方法及其设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现液滴自驱动的梯度润湿表面的制备方法及其设备。

背景技术

润湿性梯度表面是一种组分、结构和润湿性等随空间连续变化或者阶梯变化的高性能材料，在对液体的润湿性能发生梯度变化的材料表面上，液体在梯度方向受到的表面张力不相等，导致液体存在由低表面能处向高表面能处自动流动的趋势和能力。因而梯度润湿表面在生物相容性、诊断学、纳米摩擦学、微流体、液体自运输等领域得到广泛的应用，尤其在液滴和微流体移(流)动以及强化气相滴状凝结换热过程和微热管散热性能方面有重要的应用。

1978年，Greenspan首次理论预测了梯度润湿表面水滴的定向运动。直至1992年，Chaudhury和Whitesides才运用硅烷气相扩散法在1cm长度内获得了渐进地化学修饰，制备了97°～25°的润湿性梯度，并实现了水滴往亲水端的定向移动，实验上验证了上述预测。自此，基于多种化学修饰、替代或降解的时间控制技术相继被报道。除此以外，硅、金属等基底上通过微纳加工，例如激光刻蚀，光刻转印等方法形成梯度润湿表面的方法也有被相关报道。目前，总结梯度润湿表面的制备方式主要可分为两种，即控制表面化学组成和改变表面微观形貌，然而，这些制备方法存在制作环境苛刻，对基底材料要求较高以及制作成本较高等缺陷，无法在工业领域大范围推广应用；而且， 最为关键的是无法有效定量的控制润湿梯度的变化，实现润湿梯度的自定义。

发明内容

本发明针对目前的梯度润湿表面的制备方式无法实现工业化的问题，提出了一种简便的、可以在任何基底上，能实现工业化的实现液滴自驱动的梯度润湿表面的制备方法及其设备。

本发明所述的实现液滴自驱动的梯度润湿表面的制备方法，包括以下步骤：

1)制备超疏水二氧化钛涂覆液：将二氧化钛粉末与无水乙醇混合后在50～100Hz条件下超声配成的二氧化钛悬浮液，再加入硅烷，继续在50～100Hz条件下超声混匀，然后室温下反应10～15h，得到超疏水二氧化钛涂覆液；，所述的无水乙醇的加入量以二氧化钛质量计为0.01～0.02g/mL,所述硅烷与二氧化钛悬浮液体积比为0.01～0.03：1；

2)制备带超疏水层的基体：利用旋涂机将超疏水二氧化钛涂覆液分次旋涂到清洗干净的玻璃片等基体表面，然后置于烘箱中100～120℃处理1～2h，得到带超疏水层的基体；所述的超疏水二氧化钛涂覆液的涂覆用量为0.01～0.02g/cm³；

3)制备掩膜板：通过高分辨的激光打印机在在胶片上打印出设计好的图案，其中图案的参数包括几何形状、排布、图案密度以及图案间距，得到的带透光图案的胶片即为掩膜板；所述的透光区整体上划分成多个区域，同一区域均布若干透光微图案，透光微图案的排布方向一致，相邻区域间亲水图案的间距递减，即相邻区域的透光的图 案个数递增；

4)制备梯度润湿表面：将带有梯度透光图案的掩膜板覆盖在带超疏水涂层的基体表面，然后开启深紫外光(UV)光源，使得超疏水涂层表面在UV光下选择性曝光，被曝光区域由超疏水转变为超亲水，未被曝光区域仍然保持超疏水，即可将掩膜板上设计的梯度图案复制到超疏水涂层表面，得到梯度润湿的表面。所述的硅烷为十八烷基三甲氧基硅烷。

步骤1)中的第一次超声时间为30～60min，第二次超声时间为10～20min。

步骤1)中的基体为玻璃片、金属片或者棉织品。

所述的基体的清洁方式为：将基体依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声10～20min，超声频率为50～100Hz。

步骤2)所述的旋涂次数为五次，每次五滴的方式将二氧化钛悬浮液旋涂到洗净的基体表面。

根据本发明所述的制备方法构建的设备，其特征在于：包括基体和涂覆在基体表面的亲-疏水层，所述的亲-疏水层划分成多个区域，所述的区域从基体加样端沿基体轴向方向向基体检测端排列，并且同一区域均布若干亲水图案组成，而从基体加样端沿基体轴向方向向基体检测端方向，相邻区域的亲水图案间距递减，即相邻区域的亲水图案个数递增，，相应的基体上的亲水区所占比例呈梯度递增，即形成了用于液滴自驱动运动的梯度润湿表面。

所述的亲-疏水层划分成七个区域。

所述的亲水图案为规则的封闭图形，如圆形、三角形或正方形等图形。

所述的掩膜板为带有透光图案的胶片。

本发明的有益效果是：