[發明專利]一種在金屬基體上實現超親水/超疏水潤濕性圖案的方法

有效

• 申請號: 201610308464.8
• 申請日: 2016-05-10
• 公開（公告）號: CN105951162B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 劉新;鄭煥璽;黃帥;宋金龍;孫晶;劉子艾;劉吉宇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C25F3/02
• 分類號: C25F3/02;C23C26/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 溫福雪,李寶元

技術領域

本發明屬于金屬表面處理領域，涉及一種選擇性低表面能修飾制備金屬基體上超親水/超疏水潤濕性圖案的方法。

背景技術

極端潤濕性表面是指與液體的接觸角大于150°或小于10°的表面。其中與水的接觸角大于150°的稱為超疏水表面，小于10°的稱為超親水表面。自然界中存在大量天然的超疏水和超親水表面，如具有自清潔效應的荷葉表面，在水面可自由行走的水黽的腿部，荷葉下表面以及蛤蜊殼內表面在空氣中具有超親水性而在水下具有超疏油特性，泥炭蘚和松蘿鳳梨的表面顯示超親水性質，以此來增加水分的吸收。通過人工制備出的極端潤濕性表面在自清潔、防霧、金屬耐腐燭、抗結冰結霜、定向運輸等方面具有廣泛的應用

近年來，隨著極端潤濕性表面制備工藝的不斷發展，研究者們開始在極端潤濕性表面上借助其他手段進行潤濕性的控制，制備出局部具有相反潤濕性的區域，使表面呈現出親/疏水性相間的潤濕性圖案。圖案化潤濕性表面在微流體系統、生物科學和制藥行業等方面具有巨大應用價值，引起國內外生物、物理、化學、材料以及機械等領域學者的重視。目前制備圖案化表面通常先在基體表面加工出特殊的微納米結構，經修飾后金屬表面呈超親水性，或者直接在基體上涂覆超疏水涂層。然后采用含氟材料或硅氧烷等低表面能物質修飾獲得疏水表面。再采用等離子體射流、紫外光等技術選擇性改性，在超疏水表面上制備出超親水區域。專利CN1526753A、CN1900408A、CN103789716A等介紹了采用等離子體對材料進行表面改性的裝置和方法。專利CN101603177A、CN101016642A等介紹了采用紫外線照射處理材料表面的方法。Ghosh等的Wettability patterning for high-rate,pumpless fluid transport on open,non-planar microfluidic platforms,Lab on a Chip,2014,14(9),1538-1550.方法將PMC聚合物、TiO₂納米顆粒和乙醇混合在一起噴射沉積到基體上獲得超疏水涂層，然后用紫外光照射掩膜覆蓋下的涂層，獲得特殊形狀的超親水區域，實現超疏水表面上水滴的圖案化。該方法實現的圖案化時效性差，經過一段時間親水區域會逐漸恢復到疏水狀態，不能長時間使用，具有局限性。陳發澤的Hydrophilic patterning of superhydrophobic surfaces by atmospheric-pressure plasma jet,Micro&Nano Letter,2015,10(2),105-108.方法首先在鋁片上刻蝕出粗糙的微納米結構，然后用氟硅烷進行低表面能修飾后獲得超疏水鋁表面，最后在表面上覆蓋掩膜后用大氣壓氮氣冷等離子體射流處理，將未被掩膜遮擋的區域處理成親水性質的表面，以此實現水的圖案化。該方法工藝過程繁瑣，要經過兩次改性處理，并且氟硅烷等修飾物質具有一定的毒性，等離子體處理具有時效性，無法滿足長期使用的要求。Nishimoto等的TiO₂-based superhydrophobic–superhydrophilic pattern with an extremely high wettability contrast,Thin Solid Films,2014,588.221-226.方法利用水熱法和自組裝法結合制備出超疏水的TiO2薄膜，利用紫外光照射法在超疏水表面上制備出超親水圖案，其原理是具有疏水性能的磷酸正十八酯自組裝膜遇紫外光分解，從而使特定區域呈現出超親水性。該方法工藝復雜，并且可控性較差。另外一種應用較多的制備圖案化潤濕性表面的方法是通過制備不同的表面微納米結構來達到控制潤濕性的目的。專利CN 103966654A利用光刻技術在制備的超疏水鋁合金表面上制備了一條寬約400微米的曲線路徑，從而可實現該路徑上的液滴運輸。此方法中使用光刻技術會影響之前制備的超疏水性質，工藝過程較繁瑣，不適合批量生產。Zhang等的A Simple Way To Achieve Pattern-Dependent Tunable Adhesion in Superhydrophobic Surfaces by a Femtosecond Laser,ACS Applied Materials&Interfaces,2012,9，4905-4912.方法利用飛秒激光在硅表面加工出不同部位對水滴粘附度不同的超疏水表面，所得的二元微納米結構表面是由周期性的疏水圖案組成的。該方法需要昂貴的設備支持，對潤濕性的控制也有一定的局限性，并且由于該方法是直接對結構的改變，原表面不能重復使用。