[发明专利]一种在金属基体上实现超亲水/超疏水润湿性图案的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属表面处理领域，涉及一种选择性低表面能修饰制备金属基体上超亲水/超疏水润湿性图案的方法。

背景技术

极端润湿性表面是指与液体的接触角大于150°或小于10°的表面。其中与水的接触角大于150°的称为超疏水表面，小于10°的称为超亲水表面。自然界中存在大量天然的超疏水和超亲水表面，如具有自清洁效应的荷叶表面，在水面可自由行走的水黾的腿部，荷叶下表面以及蛤蜊壳内表面在空气中具有超亲水性而在水下具有超疏油特性，泥炭藓和松萝凤梨的表面显示超亲水性质，以此来增加水分的吸收。通过人工制备出的极端润湿性表面在自清洁、防雾、金属耐腐烛、抗结冰结霜、定向运输等方面具有广泛的应用

近年来，随着极端润湿性表面制备工艺的不断发展，研究者们开始在极端润湿性表面上借助其他手段进行润湿性的控制，制备出局部具有相反润湿性的区域，使表面呈现出亲/疏水性相间的润湿性图案。图案化润湿性表面在微流体系统、生物科学和制药行业等方面具有巨大应用价值，引起国内外生物、物理、化学、材料以及机械等领域学者的重视。目前制备图案化表面通常先在基体表面加工出特殊的微纳米结构，经修饰后金属表面呈超亲水性，或者直接在基体上涂覆超疏水涂层。然后采用含氟材料或硅氧烷等低表面能物质修饰获得疏水表面。再采用等离子体射流、紫外光等技术选择性改性，在超疏水表面上制备出超亲水区域。专利CN1526753A、CN1900408A、CN103789716A等介绍了采用等离子体对材料进行表面改性的装置和方法。专利CN101603177A、CN101016642A等介绍了采用紫外线照射处理材料表面的方法。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.方法将PMC聚合物、TiO₂纳米颗粒和乙醇混合在一起喷射沉积到基体上获得超疏水涂层，然后用紫外光照射掩膜覆盖下的涂层，获得特殊形状的超亲水区域，实现超疏水表面上水滴的图案化。该方法实现的图案化时效性差，经过一段时间亲水区域会逐渐恢复到疏水状态，不能长时间使用，具有局限性。陈发泽的Hydrophilic patterning of superhydrophobic surfaces by atmospheric-pressure plasma jet,Micro&Nano Letter,2015,10(2),105-108.方法首先在铝片上刻蚀出粗糙的微纳米结构，然后用氟硅烷进行低表面能修饰后获得超疏水铝表面，最后在表面上覆盖掩膜后用大气压氮气冷等离子体射流处理，将未被掩膜遮挡的区域处理成亲水性质的表面，以此实现水的图案化。该方法工艺过程繁琐，要经过两次改性处理，并且氟硅烷等修饰物质具有一定的毒性，等离子体处理具有时效性，无法满足长期使用的要求。Nishimoto等的TiO₂-based superhydrophobic–superhydrophilic pattern with an extremely high wettability contrast,Thin Solid Films,2014,588.221-226.方法利用水热法和自组装法结合制备出超疏水的TiO2薄膜，利用紫外光照射法在超疏水表面上制备出超亲水图案，其原理是具有疏水性能的磷酸正十八酯自组装膜遇紫外光分解，从而使特定区域呈现出超亲水性。该方法工艺复杂，并且可控性较差。另外一种应用较多的制备图案化润湿性表面的方法是通过制备不同的表面微纳米结构来达到控制润湿性的目的。专利CN 103966654A利用光刻技术在制备的超疏水铝合金表面上制备了一条宽约400微米的曲线路径，从而可实现该路径上的液滴运输。此方法中使用光刻技术会影响之前制备的超疏水性质，工艺过程较繁琐，不适合批量生产。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.方法利用飞秒激光在硅表面加工出不同部位对水滴粘附度不同的超疏水表面，所得的二元微纳米结构表面是由周期性的疏水图案组成的。该方法需要昂贵的设备支持，对润湿性的控制也有一定的局限性，并且由于该方法是直接对结构的改变，原表面不能重复使用。