[发明专利]利用低压强制Cassie态效应改变微孔膜润湿性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改变微孔膜润湿性的方法，尤其涉及一种利用低压强制Cassie态效应改变微孔膜润湿性的方法。

背景技术

疏水性或浸润性是固体表面的重要特征之一。近年来，超疏水性表面的研究更加引起了人们的关注，所谓超疏水性一般是指固体表面与水的接触角大于150°的表面现象。人们对超疏水性表面的认识，主要来自各种生物表面的自清洁现象。Barthlott和Neinhuis通过观察植物叶表面的微观结构，认为这种自清洁的特征是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面存在的蜡状物共同引起的。其后Feng等人对荷叶表面微米结构进行了进一步分析，发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构，且这种微米结构与纳米结构相结合的梯形结构是引起固体表面超疏水的根本原因。通过对植物叶表面的分析，很多研究者展开了超疏水性表面的研制。

一般来说，超疏水性表面可以通过两种方法来制备：一种是在疏水材料表面上构建粗糙结构；另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质。其目标是促进液滴与材料表面间气垫的形成，实现液滴Cassie态，同时伴随着流体阻力的大幅度降低。但是，从热力学上分析，大多数材料的粗糙表面上的Cassie态液滴是亚稳态，Wenzel态是稳定态，一旦外部压力克服从Cassie向Wenzel状态转变的能垒，气固界面消失，成为液-固界面，从而引起表面超疏水作用失效。另外，超疏水性表面的微米纳米精细结构也容易受外界摩擦等因素破坏而致超疏水作用失效。

因此，探索一种可应对外部压力与不易受纳米微米精细结构破坏影响并保持超疏水作用的方法具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种利用低压强制Cassie态效应改变微孔膜润湿性的方法。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案：本方法为在室温下，利用100～300Pa的相对压力，诱导孔径为10～100μm的微孔膜上液滴由Wenzel态向Cassie态转变，改变微孔膜界面润湿特性。微孔膜的孔径越大，微孔膜上液滴达到强制Cassie态的临界压力越小。

在进行上述步骤之前，也可以采用表面改性技术包括但不限于等离子体改性工艺对微孔膜进行表面修饰。将微孔膜固定在等离体处理仪的真空室中，采用CF4作为工作气体，调节真空室工作压力为10～50Pa，功率20～100W，处理时间1～30min。相同微孔结构下，改性后微孔膜表面上液滴的接触角越大，微孔膜上液滴达到强制Cassie态的临界压力越小。

本发明方法的原理是：一般条件下，固体表面上液滴形态受气液固三相界面之间的张力影响。当液固界面张力大于气固界面张力时，固体不为液体所润湿。室温条件下，非超疏水微孔膜上液滴处于Wenzel态。当向微孔膜一侧提供外加压力后，微孔结构上液膜所受压力增大。根据杨-拉普拉斯方程，随着压力的增大，液滴曲面半径减小。当外部压力达到某一临界值后，微孔膜上液滴开始由Wenzel态向Cassie态转变。微孔膜孔径结构也是影响其表面液滴状态转变的重要因素。当微孔膜微孔孔径越大，微孔上液膜曲率半径越大，液膜的附加压越小，从而实现液滴状态转变的外加强制压力也相应降低。因此微米级织构化微孔膜的液滴状态变化临界压力随着孔径的增大而降低。

此外，通过等离子体改性等表面改性技术对微孔膜进行表面修饰，改变微孔膜表面自由能，影响液固表面张力，而改变无外压的微孔膜表面上液滴初始形态。采用低表面能物质对微孔膜表面修饰后，微孔膜表面自由能降低，促进液滴接触角增大，从而降低液滴从Wenzel态向Cassie态转变所需的临界压力。

本发明所用微孔膜为尼龙微孔膜、聚砜微孔膜、微孔醋酸纤维素膜或高分子微孔材料。

本发明所用表面修饰方法包括但不限于CF₄等离子体处理、含氟低表面能物质表面自组装、溶胶凝胶法。

本发明所用外部压力气源包括但不限于氮气稳压源。

有益效果：通过本发明所述方法，我们在室温下利用低压强制Cassie态效应实现了微孔膜润湿性改变：

(1)通过本发明方法，在低压作用下，将微孔膜表面的液滴由Wenzel态转变为Cassie态，诱导微孔膜表面实现超疏水效应。

(2)通过本发明方法，采用等离子体等表面改性方法对微孔膜表面进行修饰，降低微孔膜表面自由能，改性后微孔膜表面液滴达到超疏水性转变的临界压力降低。

(3)通过本发明方法，微孔膜表面上低压强制Cassie态液滴具有明显的抗粘滞和反润湿特征。