一种用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面及其制备方法 (Special wettability surface for controllable liquid drop transportation and preparation method thereof ) 是由 刘慧� 张莉 罗欢 毛庆辉 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于材料制备技术领域,公开了一种用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面及其制备方法。制备方法包括：S1.将PDMS加入THF与DMF的混合溶剂中,超声至完全溶解,得到疏水涂层液；S2.将PMMA和PDMS加入THF与DMF的混合溶剂中,超声至完全溶解,得到超疏水涂层液；S3.在基底表面设计液滴运输路径,将所述基地划分为第一区域和第二区域,所述第一区域对应所述液滴运输路径；S4.将所述疏水涂层液喷涂在所述第一区域上,将所述超疏水涂层液喷涂在所述第二区域上,得到用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面。制备方法简单、成本低,且制备得到特殊浸润性表面可实现持续、稳定、可控的液体运输。(The invention belongs to the technical field of material preparation, and discloses a special wettability surface for controllable liquid drop transportation and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: s1, adding PDMS into a mixed solvent of THF and DMF, and performing ultrasonic treatment until the PDMS is completely dissolved to obtain a hydrophobic coating liquid; s2, adding PMMA and PDMS into a mixed solvent of THF and DMF, and performing ultrasonic treatment until the PMMA and PDMS are completely dissolved to obtain super-hydrophobic coating liquid; s3, designing a liquid drop transportation path on the surface of a substrate, and dividing the substrate into a first area and a second area, wherein the first area corresponds to the liquid drop transportation path; and S4, spraying the hydrophobic coating liquid on the first area, and spraying the super-hydrophobic coating liquid on the second area to obtain the special wettability surface for controllable liquid drop transportation. The preparation method is simple and low in cost, and the prepared special wettability surface can realize continuous, stable and controllable liquid transportation.)
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面及其制备方法。
背景技术
水流的定向输送是自然界中常见的现象，这对各种自然生物以及微流控系统、喷墨打印、液体输送等多种应用都具有重要意义。浸润性作为固体表面的基本性质，由表面化学和形貌决定，原则上可以从超浸润性到非浸润性进行。受现有的自然结构的启发，通过化学非均相结构或化学梯度的形式来构建人工仿生表面，从而控制液体的定向扩散。
为了引导和控制液滴运动，一般来说，通过在超疏水表面上构建亲水区域来制造化学非均质表面，在整个表面有明显不均一的组成或分布。包括使用光刻或喷墨打印方法构建生物涂层、在超疏水纳米线表面上的紫外增强化学分解、紫外光引发的表面光接枝、喷墨层图案化的超疏水表面，以及超疏水纳米结构表面的激光处理。尽管这些技术可以很好地控制液滴的定向扩散，但由于亲水性区域的存在，液滴在运动过程中难以避免滞留，因此液体的连续输送仍然具有挑战性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面的制备方法，该特殊浸润性表面利用不同区域表面浸润性差异，实现液滴的可控性运输，且连续性好。
本发明提供了以下技术方案：
一种用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面的制备方法，包括以下步骤：
S1.将PDMS加入THF与DMF的混合溶剂中，超声至完全溶解，得到疏水涂层液；
S2.将PMMA和PDMS加入THF与DMF的混合溶剂中，超声至完全溶解，得到超疏水涂层液；
S3.在基底表面设计液滴运输路径，将所述基底划分为第一区域和第二区域，所述第一区域对应所述液滴运输路径；
S4.将所述疏水涂层液喷涂在所述第一区域上，将所述超疏水涂层液喷涂在所述第二区域上，得到用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面，所述喷涂为采用静电纺丝装置进行喷涂。
进一步的，所述THF与DMF的混合溶剂中，THF与DMF的质量比为1:1。
进一步的，步骤S1中，所述PDMS与所述THF与DMF的混合溶剂的质量比为(1～4)：20。
进一步的，步骤S2中，所述PMMA、所述PDMS与所述THF与DMF的混合溶剂的质量比为(1～3)：(1～3)：20。
进一步的，步骤S2中，所述PMMA、所述PDMS与所述THF与DMF的混合溶剂的质量比为1：1：20。
进一步的，步骤S3中，所述基底选自织物、玻璃、钛片、纸、和木头中的一种。
进一步的，步骤S4中，所述静电纺丝装置的电压为15V，流量为0.05～0.5mL/h，接收距离为15cm。
进一步的，步骤S4中，所述静电纺丝装置的电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm。
本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面。
本发明的有益效果是：
本发明制备的该表面具有机械性能良好的，化学性能稳定的优点，并且该制备工艺简便、无后续处理，省时省能源；基底通用化，在各种基底表面都能构筑；而且原料成本低易于获取，不含氟，适合环境友好发展的需要；疏水和超疏水模式在单个表面上的简单组合，实现了持续、稳定、可控的液体运输，且特殊浸润性表面可以通过喷涂到任意形式的基底上，表面与基底的结合力好，为开发微流体装置并持续控制液滴运动性提供了新的思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，
图1为本发明实施例1制备得到的PDMS疏水涂层表面SEM图(a图)、实施例2制备得到的PMMA涂层表面SEM图(b图)和实施例3制备得到的PDMS/PMMA超疏水涂层表面SEM图(c图)；
图2为本发明实施例1制备得到的PDMS疏水涂层表面静态接触角(a图)、实施例2制备得到的PMMA涂层表面静态接触角(b图)和实施例3制备得到的PDMS/PMMA超疏水涂层表面静态接触角(c图)；
图3为实施例3得到的三种PDMS/PMMA超疏水涂层表面(颗粒形貌)SEM图；
图4为本发明实施例4制备得到的特殊浸润性表面中的液滴运输过程图；
图5为本发明对比例1中PDMS/PMMA超疏水涂层表面(部分纤维、部分颗粒)SEM图；
图6为本发明对比例2中PDMS/PMMA超疏水涂层表面(纯纤维)SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，等价形式改动或修改同样落于本申请的权利要求书所限定的范围。
实施例1：PDMS疏水涂层表面的制备
称取1g PDMS，10g THF，10g DMF(质量比为1︰10︰10)混合加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到疏水涂层液，以棉织物作为基底，在基底表面设计液滴运输路径，将疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂在运输路径上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，得到PDMS疏水涂层表面，SEM图如图1(a)所示，表面呈现一层凝胶层，无粗糙结构。静态接触角如图2(a)所示，为121.7°。
实施例2：PMMA涂层(均匀颗粒)表面的制备
称取1g PMMA，10g THF，10g DMF(质量比为1︰10︰10)混合加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到疏水涂层液，以棉织物作为基底，在基底表面设计液滴运输路径，将疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂在运输路径上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，得到PMMA涂层表面，SEM图如图1(b)所示，表面被一层均匀的颗粒所覆盖。静态接触角如图2(b)所示，为151.8°。这说明PMMA组分通过静电喷涂技术可以实现均匀颗粒结构的构筑。
实施例3：PDMS/PMMA超疏水涂层(均匀颗粒)表面
称取1g PMMA，1g PDMS，10g THF，10g DMF(质量比为1︰1︰10︰10)加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到超疏水涂层液。将超疏水涂层液通过静电纺丝装置继续喷涂棉织物基底上，静电喷涂条件为电压为15V，流量控制为0.05mL/h、0.1mL/h和0.5mL/h，接收距离为15cm，得到三种不同的PDMS/PMMA超疏水涂层表面。
其中，流量控制为0.5mL/h得到的PDMS/PMMA超疏水涂层表面的SEM图如图1(c)所示，静态接触角如图2(c)所示。由图1(c)和图2(c)可见，PDMS/PMMA超疏水涂层表面也呈现了一层均匀的颗粒，接触角进一步提高到164.8°，这说明与PMMA涂层表面相比，PDMS组分的加入进一步降低了体系的表面能，提高了超疏水性能。
图3为上述三种PDMS/PMMA超疏水涂层表面的SEM对比图，(a)图为流量控制为0.05mL/h得到的PDMS/PMMA超疏水涂层表面的SEM图；(b)图为流量控制为0.1mL/h得到的PDMS/PMMA超疏水涂层表面的SEM图；(c)图为流量控制为0.5mL/h得到的PDMS/PMMA超疏水涂层表面的SEM图。根据图3可知，静电喷涂条件中，当流量为0.05mL/h，0.1mL/h以及0.5mL/h时，所得PDMS/PMMA颗粒直径逐步增大，意味着静电纺丝装置流量(纺丝速率)的增加可以提高最后得到的PDMS/PMMA超疏水涂层的超疏水性能。
实施例4：用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面(PDMS/PMMA超疏水涂层为颗粒状)的制备
步骤1、称取1g PDMS，10g THF，10g DMF(质量比为1︰10︰10)混合加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到疏水涂层液。
步骤2、以棉织物作为基底，将疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂在基底上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm。
步骤3、称取1g PMMA，1g PDMS，10g THF，10g DMF(质量比为1︰1︰10︰10)加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到超疏水涂层液。
步骤4、用具有液滴运输路径的图案模板覆盖步骤2得到的基底(该图案模板覆盖的地方就是预先设计的液滴运输路径)，接着静电喷涂PDMS/PMMA混合溶液，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，喷涂完成后去除图案模板，得到具有液滴运输路径的特殊浸润性表面，即用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面。
将水滴沿着实施例4得到的用于可控性液滴运输的特殊浸润性表面中的液滴运输路径的起点开始释放，观察水滴的运输情况，结果如图4所示，图4中(a)图至(c)图展现了水滴运输的过程，可以看出，基于浸润性差异，水滴可以沿着设计的路径实现连续运输。
对比例1：PDMS/PMMA混合涂层(部分纤维、部分颗粒)表面
称取3g PMMA，3g PDMS，10g THF，10g DMF(质量比为3︰3︰10︰10)加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到超疏水涂层液。将超疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂在棉织物基底上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，得到PDMS/PMMA混合涂层，该涂层中既有纤维也有颗粒，SEM图如图5所示。
对比例2：PDMS/PMMA混合涂层(纯纤维)表面
称取4g的PMMA，4g的PDMS，10g的THF，10g的DMF(质量比为2︰2︰5︰5)加入到烧杯中，40℃超声使其完全溶解，得到超疏水涂层液。将超疏水涂层液通过静电纺丝装置喷涂在棉织物基底上，静电喷涂条件为电压为15V，流量为0.5mL/h，接收距离为15cm，得到PDMS/PMMA混合涂层表面，该涂层为纤维状，SEM图如图6所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。