[发明专利]一种化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表面改性领域，尤其涉及一种化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面制备方法。

背景技术

润湿性是固体表面的重要性质之一，其由表面化学组成和表面粗糙度共同决定。随着人们对润湿性研究的深入，实际应用领域对表面润湿性的要求也不再仅限于传统的亲水性和疏水性。为了研制出更具有独特性能的润湿性表面，人们开始尝试将一些结构加入到润湿材料表面设计之中。

柔性多级结构表面是以具有柔性特征的材料为基底，利用某种方法在基底表面上形成的多级梯度结构表面。虽然柔性材料与多级梯度结构的协同设计使其材料表面的疏水性能得到了提高，还可以通过对材料的拉伸来改变其疏水程度，但驱动液滴定向运输能力还有待进一步加强。为此，在完善了材料表面物理结构的基础上，还可以设计一种可以改变材料表面化学性质的方法来加强其液滴的运输能力。

由于润湿性化学梯度材料具有不同于单一润湿性材料的性能，在其表面上不同区域润湿性呈梯度排布，使得近些年来受到越来越多的关注和研究。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。构造润湿性梯度的主要方法为利用表面化学梯度修饰和构筑表面结构梯度的方法。但大多数研究仅局限于对材料表面润湿梯度的改造，对液滴驱动效果影响不大，没有一种较为明显的改进方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面制备方法，从而制备出具有良好液滴驱动性能的表面，提高材料表面的润湿性能，达到简单、经济并且能够广泛应用的目的。

为此采用如下的技术方案：一种化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤（1）制备涂覆液：将聚二甲基硅氧烷的预聚物与交联剂以质量为10:1的比例混合搅拌均匀，之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的气泡，制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液；

步骤（2）制备掩盖板：取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板，利用三维绘图软件绘制出梯度结构排布图，所述梯度结构排布图是以直径为10μm、深40μm的单元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板长边为准，以第一个1mm的距离内单元孔间距为10μm，在第二个1mm的距离内单元孔间距增至20μm并以此类推；然后以绘制的梯度结构排布图为参照，对硅模板进行雕刻处理；选用的基底为玻璃基底，并对其进行预清洗，即将玻璃基底依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声10~20min，超声频率为50~100Hz，之后用水洗净并进行干燥处理；然后将处理好的硅模板紧密贴合在预清洗后的玻璃基底表面上；将步骤（1）制备的涂覆液通过旋涂的方式均匀覆盖在硅模板表面，具体旋涂方式的旋涂次数为1次，先以每分钟1500转的速率旋涂5s，再以每分钟8000转的速率旋涂20s，最后以每分钟1500转的速率旋涂5s，之后将旋涂有涂覆液的硅模板以温度为75℃干燥20min，从而在硅模板表面上形成涂覆液的薄膜；

步骤（3）制备具有柔性的多级梯度结构表面：准备厚度为1mm、宽为25mm的VHB胶带，先将VHB胶带拉伸，并维持50%-200%的应变量，然后将步骤（2）制得的掩盖板旋涂有涂覆液薄膜的一面与拉伸后的VHB胶带紧密贴合，在温度为80℃的烘箱中处理2个小时；之后将玻璃基底与硅模板揭下，复制了硅模板梯度结构的涂覆液薄膜便与VHB胶带紧密贴合；其中对VHB胶带的预拉伸应变量越大，得到的柱子结构越为密集，即材料表面越为的亲水；最后释放对VHB胶带的拉力，紧贴在VHB胶带表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收缩力在其表面上产生屈曲与梯度相结合的多级结构；

步骤（4）制备遮挡板：使用三维绘图软件绘制出一个等边梯形，梯形上短边长25mm，下长边长82.8mm，高50mm，两腰长115mm且与上下边夹角分别为120°和60°，取一厚度0.3mm、尺寸与上述等边梯形相同的铜片，将铜片沿梯形的高折叠使之夹角呈90°，即折成一楔形的遮挡板；

步骤（5）制备化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面：将步骤（4）制得的遮挡板的三角形长边处覆盖在步骤（3）制备的具有柔性的多级梯度结构表面上，遮挡板的楔形开口方向为VHB胶带上柱子更密集的方向；将其放置在等离子表面处理机中处理60min后取出，将遮挡板移去后即得到化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面。