[发明专利]液滴定向输运的特殊浸润性表面的制备方法

说明书

本发明公开了一种液滴定向输运的特殊浸润性表面的制备方法，其制备的特殊浸润表面主要包括亲水基底、超疏水表面和超亲水沟道，具体制备步骤如下：（1）在平整的亲水基底材料表面制备具有微纳协同二元结构的超亲水表面；（2）采用表面修饰的方法对步骤（1）制备的超亲水表面进行修饰形成超疏水表面；（3）在超疏水表面制备超亲水轨道。带有亲水轨道的超疏水表面倾斜一定角度，液滴在重力、毛细力及液体分子之间的范德华力共同作用下，实现液滴沿着制备的超亲水轨道上进行定向输运。本发明制备方法简单，可以采用现有的超疏水制备工艺，通过加工出微细的超亲水沟道即可实现液滴的定向输运。

技术领域

本发明属于金属表面处理及其改性技术领域，涉及一种用于液滴定向输运的特殊浸润性表面的制备方法。

背景技术

润湿性是固体表面一种重要的界面现象，表面润湿程度取决于其化学成分及微观形态与几何结构。影响固体表面浸润性的因素主要有两个：（1）表面自由能；（2）表面粗糙度。当表面自由能降低时，其疏水性能就会增强。然而，即使具有最低表面能的光滑表面，其与水的接触角也仅有119°。为了得到更好的疏水效果，需要表面具有一定的粗糙度。超疏水表面的研究和高接触角的相关现象可以追溯到很长一段时间，并且研究者可以制备出接近完美的空气-水界面（接触角为180°）的超疏水表面。此外，超疏水表面具有如防结霜、减阻和自清洁等特点，这些优秀的特性在实际应用中显示巨大的价值，例如透明疏水涂层（用于汽车玻璃）、油水分离、防腐蚀、液滴操纵等。其中在液滴操纵领域，液滴定向运输尤为受到研究者的关注。由于固液两相之间的接触的特殊性质，少量液体在固体上的输送不是一个简单的过程。解决这一问题的方法主要有以下三种：

第一种方法是改变超疏水表面的粘附力，从而将微液滴粘附到超疏水表面上，可以通过移动具有高黏附力的超疏水表面来移动液滴。

另一种方法是使用疏水性粉末包裹液滴。由疏水性粉末包裹而成的 “液体小球”可被视为一个柔软的“类固体小球”，这种小球显著地降低了对固体表面的粘附性。从而“类固体小球”可以在重力、电场和磁场的作用下定向的运动。

还有一种更为直接的方法是使用超疏水轨道。这是一种简单而有效的方法：在平面上雕刻出具有一定深度的轨道，再使得整个平面（包括轨道）具有超疏水特性，液滴可以利用重力或静电力作为驱动力，在超疏水轨道上作定向运动。但是，使用单纯的超疏水轨道进行液滴运输有很强的局限性。首先超疏水轨道具有一定的深度，这就意味着需要在具有一定的厚度的平面上进行加工，这给MEMS微平面加工带来了很大的挑战。除此之外，由于约束液滴不偏离轨道的力来源于轨道的垂直壁面，液滴非常容易偏离超疏水轨道，这使得液滴在超疏水轨道上的运动速度不能过大。

因此，研发出一种制备方法简单、高效快速、利于液滴定向运输的特殊浸润性表面的制备方法具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种液滴定向输运的特殊浸润性表面的制备方法，该方法在亲水基底上制备特殊浸润表面实现液体定向输运。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种液滴定向输运的特殊浸润性表面的制备方法，如图1所示，其制备的特殊浸润表面主要包括亲水基底1、超疏水表面2和超亲水沟道3，具体制备步骤如下：

（1）在平整的亲水基底材料表面制备具有微纳协同二元结构的超亲水表面；

（2）采用表面修饰的方法（即化学修饰或涂覆的方法）对步骤（1）制备的超亲水表面进行修饰，在超亲水表面形成超疏水表面以降低超亲水表面的表面能，使得制备的超亲水表面获得超疏水特性；

（3）在超疏水表面制备宽度为30~100μm、深度为30~100μm的极细、极浅的超亲水轨道，通过激光雕刻方法破坏原本的表面结构以及低表面能修饰材料，使轨道具有超亲水特性。带有亲水轨道的超疏水表面倾斜一定角度，液滴在重力、毛细力及液体分子之间的范德华力共同作用下，实现液滴沿着制备的超亲水轨道上进行定向输运。