一種在金屬基體上實(shí)現(xiàn)超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種在金屬基體上實(shí)現(xiàn)超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案的方法，屬于金屬表面處理及改性領(lǐng)域。該方法通過在制備的超親水金屬表面上選擇性進(jìn)行低表面能修飾獲得超疏水區(qū)域，得到特定性狀的超親水區(qū)域，實(shí)現(xiàn)超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案化的目的。金屬基體的光整，微納米結(jié)構(gòu)的加工，掩膜的鏤空?qǐng)D案化加工，選擇性低表面能修飾。本發(fā)明設(shè)備及工藝簡(jiǎn)單便捷，成本低，可控性較好；可通過對(duì)低表面能不干膠掩膜的加工實(shí)現(xiàn)任意形狀的潤(rùn)濕性圖案；可實(shí)現(xiàn)任意曲面基體的潤(rùn)濕性圖案化；制備的潤(rùn)濕性圖案化可長(zhǎng)期使用，疏水區(qū)域和親水區(qū)域潤(rùn)濕性穩(wěn)定；利用此法在加工超親水區(qū)域時(shí)不會(huì)改變?cè)砻娴奈⒓{米粗糙結(jié)構(gòu)，因而基片可重復(fù)使用，持久性和耐用性好。
【專利說明】
一種在金屬基體上實(shí)現(xiàn)超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于金屬表面處理領(lǐng)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(rùn)濕性圖案的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]極端潤(rùn)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(yīng)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(nèi)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(zhì)，以此來增加水分的吸收。通過人工制備出的極端潤(rùn)濕性表面在自清潔、防霧、金屬耐腐燭、抗結(jié)冰結(jié)霜、定向運(yùn)輸?shù)确矫婢哂袕V泛的應(yīng)用
[0003]近年來，隨著極端潤(rùn)濕性表面制備工藝的不斷發(fā)展，研究者們開始在極端潤(rùn)濕性表面上借助其他手段進(jìn)行潤(rùn)濕性的控制，制備出局部具有相反潤(rùn)濕性的區(qū)域，使表面呈現(xiàn)出親/疏水性相間的潤(rùn)濕性圖案。圖案化潤(rùn)濕性表面在微流體系統(tǒng)、生物科學(xué)和制藥行業(yè)等方面具有巨大應(yīng)用價(jià)值，引起國(guó)內(nèi)外生物、物理、化學(xué)、材料以及機(jī)械等領(lǐng)域?qū)W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(jié)構(gòu)，經(jīng)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(zhì)修飾獲得疏水表面。再采用等離子體射流、紫外光等技術(shù)選擇性改性，在超疏水表面上制備出超親水區(qū)域。專利CN1526753A、CN1900408A、CN103789716A等介紹了采用等離子體對(duì)材料進(jìn)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 fluidtransport on open,non-planar microfluidic platforms,Lab on a Chip,2014,14(9),1538-1550.方法將PMC聚合物、T12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(qū)域，實(shí)現(xiàn)超疏水表面上水滴的圖案化。該方法實(shí)現(xiàn)的圖案化時(shí)效性差，經(jīng)過一段時(shí)間親水區(qū)域會(huì)逐漸恢復(fù)到疏水狀態(tài)，不能長(zhǎng)時(shí)間使用，具有局限性。陳發(fā)澤的Hydrophilic patterning ofsuperhydrophobic surfaces by atmospheric-pressure plasma jet,Micro&NanoLetter ,2015,10(2) ,105-108.方法首先在鋁片上刻蝕出粗糙的微納米結(jié)構(gòu)，然后用氟硅烷進(jìn)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?dú)饫涞入x子體射流處理，將未被掩膜遮擋的區(qū)域處理成親水性質(zhì)的表面，以此實(shí)現(xiàn)水的圖案化。該方法工藝過程繁瑣，要經(jīng)過兩次改性處理，并且氟硅烷等修飾物質(zhì)具有一定的毒性，等離子體處理具有時(shí)效性，無法滿足長(zhǎng)期使用的要求。Nishimoto等的Ti02_based superhydrophobic-superhydrophilic pattern with an extremely high wettability contrast，ThinSolid Films,2014,588.221-226.方法利用水熱法和自組裝法結(jié)合制備出超疏水的Ti02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(qū)域呈現(xiàn)出超親水性。該方法工藝復(fù)雜，并且可控性較差。另外一種應(yīng)用較多的制備圖案化潤(rùn)濕性表面的方法是通過制備不同的表面微納米結(jié)構(gòu)來達(dá)到控制潤(rùn)濕性的目的。專利CN 103966654A利用光刻技術(shù)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(shí)現(xiàn)該路徑上的液滴運(yùn)輸。此方法中使用光刻技術(shù)會(huì)影響之前制備的超疏水性質(zhì)，工藝過程較繁瑣，不適合批量生產(chǎn)。Zhang等的A Simple Way To Ach ieve Pattern-Dependent Tunable Adhes1n inSuperhydrophobic 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(duì)水滴粘附度不同的超疏水表面，所得的二元微納米結(jié)構(gòu)表面是由周期性的疏水圖案組成的。該方法需要昂貴的設(shè)備支持，對(duì)潤(rùn)濕性的控制也有一定的局限性，并且由于該方法是直接對(duì)結(jié)構(gòu)的改變，原表面不能重復(fù)使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的問題是克服現(xiàn)有技術(shù)制備極端潤(rùn)濕性圖案化表面的復(fù)雜性和穩(wěn)定性差等不足，發(fā)明一種制備金屬基體極端潤(rùn)濕性圖案化表面的方法。通過將一種圖案化處理的富含硅氧烷等低表面能成分的不干膠帶貼覆在預(yù)制備的具有微納米粗糙結(jié)構(gòu)的金屬表面，除去該膠帶之后，便獲得了超疏水/超親水的極端潤(rùn)性表面。該方法簡(jiǎn)單、成本低，獲得的潤(rùn)濕性圖案化穩(wěn)定性好，不隨時(shí)間和溫度的改變而變化。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]—種在金屬基體上實(shí)現(xiàn)超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案的方法，通過對(duì)加工出微納米結(jié)構(gòu)的金屬表面進(jìn)行選擇低表面能修飾獲得超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案化表面，步驟如下:
[0007](I)金屬基底的預(yù)處理:將金屬基底進(jìn)行拋磨、清洗和除油；
[0008](2)在步驟(I)得到的金屬基底表面制備出具有超親水性的微納米結(jié)構(gòu)；
[0009](3)含硅氧烷的不干膠作為掩膜，在其上加工出鏤空?qǐng)D案；
[0010](4)掩膜貼覆于超親水金屬基底表面上，與掩膜接觸的超親水金屬基底表面被低表面能修飾，呈現(xiàn)超疏水性，鏤空部分保持原有的超親水，獲得超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案。
[0011]步驟(4)中，可以通過水浴加熱覆蓋有掩膜的金屬基底。
[0012]本發(fā)明的有益效果:
[0013](I)工藝簡(jiǎn)單便捷，可在極短時(shí)間內(nèi)制備出潤(rùn)濕性圖案化表面，成本低，可控性較好。
[0014](2)直接在超親水表面選擇性制備超疏水區(qū)域，無需制備成超疏水表面后再親水性改性。
[0015](3)可通過對(duì)掩膜形狀的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)任意形狀的潤(rùn)濕性圖案。
[0016](4)掩膜可貼附在任意形狀的表面上，因而可實(shí)現(xiàn)任意曲面的潤(rùn)濕性圖案化制備。
[0017](5)用此法可制備出具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和耐高溫性質(zhì)的潤(rùn)濕性圖案化表面。
[0018](6)利用此法在加工超親水區(qū)域時(shí)不會(huì)改變?cè)砻娴奈⒓{米粗糙結(jié)構(gòu)，因而基片可重復(fù)使用，持久性和耐用性好。
[0019](7)利用此方法制備潤(rùn)濕性圖案化表面不受基體面積的影響，可實(shí)現(xiàn)任意大小潤(rùn)濕性圖案化表面的制備。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
[0021 ]圖2是潤(rùn)濕性圖案化表面的接觸角隨時(shí)間變化情況。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。水滴在超疏水表面的接觸角大于150°而不會(huì)浸潤(rùn)表面;水滴在超親水表面的接觸角小于10°，滴在超親水表面的水滴會(huì)迅速鋪展而浸潤(rùn)表面，當(dāng)一個(gè)表面上同時(shí)包括超疏水區(qū)域和超親水區(qū)域時(shí)，超親水區(qū)域會(huì)被水潤(rùn)濕并與超疏水區(qū)域具有明顯的界限，這樣就形成了潤(rùn)濕性圖案化表面。
[0023 ]本發(fā)明方法的加工對(duì)象的金屬基底可以且不限于鋁、銅、鋅、鐵、鈦合金、鎂合金等金屬或合金;在金屬表面上加工超親水微納米粗糙表面的方法可以是化學(xué)刻蝕法、電化學(xué)刻蝕法、激光加工法、掩膜光刻法等;低表面能掩膜可以采用如聚酰亞胺膠帶、PET高溫綠膜膠帶等;在低表面能掩膜上制備鏤空?qǐng)D案可以采用數(shù)控雕刻、激光加工、模切、沖型等方法。
[0024]實(shí)施例1
[0025]利用本發(fā)明的方法對(duì)鋅板進(jìn)行極端潤(rùn)濕性圖案化表面加工，結(jié)合本發(fā)明的流程如附圖1所示，具體步驟如下:
[0026]1、先將鋅板分別用800#和1500#的砂紙打磨去除表面氧化層，再將打磨后的鋅板用無水乙醇和去離子水超聲振蕩清洗。吹干后獲得光整的鋅板。
[0027]2、使用氯化鈉和硝酸鈉混合水溶液對(duì)光整的鋅板進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，其中氯化鈉的濃度為0.05mol/L，硝酸鈉的濃度為0.05mol/L，刻蝕時(shí)間60s，刻蝕電流密度500mA/cm2，清洗后獲得純凈的刻蝕鋅表面，此時(shí)顯示超親水性質(zhì)。
[0028]3、設(shè)計(jì)圖案形狀，利用三維數(shù)控雕刻機(jī)對(duì)硅氧烷不干膠帶進(jìn)行鏤空加工。
[0029]4、將加工好的不干膠帶掩膜貼覆到刻蝕鋅表面，80°C水浴加熱20s。
[0030]5、揭掉掩膜后，即可在鋅板基體上制備出超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案，其中與掩膜鏤空?qǐng)D案部分對(duì)應(yīng)的超親水區(qū)域，剩余部分顯示超疏水特性。制備的潤(rùn)濕性圖案化表面的疏水區(qū)域和親水區(qū)域的潤(rùn)濕性非常穩(wěn)定，其接觸角隨時(shí)間變化情況如附圖2所示。
[0031]實(shí)施例2
[0032]利用本發(fā)明的方法對(duì)鋁棒的側(cè)面進(jìn)行極端潤(rùn)濕性圖案化表面加工，結(jié)合本發(fā)明的流程如附圖1所示，具體步驟如下:
[0033]1、先將鋁棒的側(cè)面分別用800#和1500#的砂紙打磨去除表面氧化層，再將打磨后的鋁棒用無水乙醇和去離子水超聲振蕩清洗。吹干后獲得光整的鋁棒。
[0034]2、將光整的鋁棒浸泡在室溫中浸泡到CuCl2水溶液中化學(xué)刻蝕15s，取出后利用超聲波振蕩清洗去除表面的沉積物和雜質(zhì)，去離子水清洗后吹干獲得純凈的刻蝕鋁表面，此時(shí)顯;^超未水性質(zhì)O
[0035]3、設(shè)計(jì)圖案形狀，利用三維數(shù)控雕刻機(jī)對(duì)硅氧烷不干膠帶進(jìn)行鏤空加工。
[0036]4、將加工好的不干膠帶掩膜沿著鋁棒的側(cè)面貼覆，60 °C水浴加熱30s。
[0037]5、揭掉掩膜后，即可在鋁棒的側(cè)面制備出超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案，其中與掩膜鏤空?qǐng)D案部分對(duì)應(yīng)的超親水區(qū)域，剩余部分顯示超疏水特性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在金屬基體上實(shí)現(xiàn)超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案的方法，其特征在于，通過對(duì)加工出微納米結(jié)構(gòu)的金屬表面進(jìn)行選擇低表面能修飾獲得超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案化表面，步驟如下: (1)金屬基底的預(yù)處理:將金屬基底進(jìn)行拋磨、清洗和除油； (2)在步驟(I)得到的金屬基底表面制備出具有超親水性的微納米結(jié)構(gòu)； (3)含硅氧烷的不干膠作為掩膜，在其上加工出鏤空?qǐng)D案； (4)掩膜貼覆于超親水金屬基底表面上，與掩膜接觸的超親水金屬基底表面被低表面能修飾，呈現(xiàn)超疏水性，鏤空部分保持原有的超親水，獲得超親水/超疏水潤(rùn)濕性圖案。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(4)中，通過水浴加熱覆蓋有掩膜的金屬基底。
【文檔編號(hào)】C23C26/00GK105951162SQ201610308464
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】劉新, 鄭煥璽, 黃帥, 宋金龍, 孫晶, 劉子艾, 劉吉宇
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)