[发明专利]一种通过应变调控褶皱表面亲疏水性可逆转变的方法及应用

说明书

本发明涉及一种通过应变调控褶皱表面亲疏水性可逆转变的方法及应用，本发明通过对柔性材料基底(如PDMS、PI等柔性聚合物)进行拉伸并在拉伸状态下在表面形成一层“硬质”薄膜，“硬质”薄膜形成之后通过释放拉伸应力在材料表面形成均一有序的正弦曲线型褶皱，然后对正弦曲线型褶皱进行连续逐级拉伸，并在不同拉伸长度下测其接触角，实现了调控表面亲疏水性的可逆转变。通过改变初始的拉伸长度及镀膜厚度可形成不同周期、不同振幅的褶皱，可实现不同范围亲疏水性能的调控。本方法具有无毒无害，操作简单，适用范围广，可逆性能好等优势。

技术领域

本发明涉及一种利用应变改变材料的表面形貌，从而改变亲疏水性的方法，属于材料表面润湿性领域。

背景技术

近年来，随着对材料表面的润湿性能的深入研究，其在微流体管道、自清洁器件、生物医学工程、机器人技术、水资源收集等方面的应用越来越广泛。众所周知，材料表面的润湿行为主要由其表面的化学组成及表面几何形貌(例如：粗糙度)所决定；随着表面自由能的降低，表面的疏水性就会有所提高，但是，即使是最光滑的表面，其接触角也只能达到120°，因此，通过改变材料表面的表面形态对疏水性改变显得尤为重要。1805年Young首先对固体表面的润湿性能进行了定性分析，提出了著名的杨氏方程：γ_SV-γ_SL＝γ_LVCOSθ，但此式仅能描述光滑表面上的接触状态；因此，后人对此式进行了修正，提出了Wenzel模型与Cassie模型。Wenzel认为当固体表面变得粗糙时，固液之间的实际接触线将会大于表观接触线，于是他提出Wenzel方程：COSθ_W*＝rCOSθ(r为粗糙因子；θ_W*为表现接触角；θ为本征接触角)，由此方程可知，对于亲水性表面而言，增加其表面粗糙度可以使其更加亲水，而增加疏水性表面的粗糙度会使其更加疏水；Cassie认为固液之间不可能完全相互接触，在固液界面间可能有空气层的存在，于是他提出了Cassie方程：COSθ_w＝f₁COSθ₁+f₂COSθ₂(θ_w为复合表面的表观接触角；θ₁、θ₂分别为两种介质上的本征接触角；f₁、f₂分别为两种介质在表面的面积分数)，Cassie模型为一种亚稳态模型，在受到外界的扰动的情况下，固液界面的空气层可能会被破坏，从而转化为Wenzel态。目前，用以改变表面润湿性能所施加的外部刺激包括：改变温度或者PH值、施加电场、UV照射等方法，此外，还有采用应力方法来制备表面可控的形貌。

2006年Xia等人在Adv.Mater.通过改变温度或PH值实现了在超亲水与超疏水态转变的双响应表面；Lim等人通过由光敏性试剂改性的多层纳米孔膜制备了光照可控的超疏水表面。1998年，Ned Bowden等人通过在热膨胀高聚物表面沉积金属膜，后将整体冷却的方法在表面形成图案，首次提出了在PDMS(聚二甲基硅氧烷)表面形成褶皱的方法；此后，Wilhelm等人采用四步法制备了多级褶皱表面，步骤分别为在掩膜版的存在下UV照射PDMS表面，形成部分“僵硬”区，接着在加热PDMS的过程中在表面沉积金属膜(Ti：5nm，Au：50nm)，最后冷却样品，则表面形成不同尺寸的褶皱；此外，对于PDMS表面褶皱的形成方法还包括：热膨胀法、UV照射、镀层或涂层、应力拉伸、溶胀等等。