实现多种超疏水表面微结构形貌的滚压装置及其应用方法
阅读说明：本技术 实现多种超疏水表面微结构形貌的滚压装置及其应用方法 (Rolling device for realizing various super-hydrophobic surface microstructure appearances and application method thereof ) 是由 叶霞 徐胜 冯欢 陆磊 于 2020-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及实现多种超疏水表面微结构形貌的滚压装置及其应用方法,包括底座和驱动机构和压辊部件；压辊部件包括上压辊组和下压辊,上压辊组包括上压辊架与安装在上压辊架多个表面形貌不同的上压辊,多个上压辊与上压辊架可拆卸连接,的上压辊架活动安装在底座上,下压辊的两端安装在底座上；其中一个上压辊与下压辊平行并留有间隙,间隙用于放置待加工基材；上压辊的表面具有陈列排布的凸起形成表面形貌；底座上还设置有调辊距部件,调辊距部件与上压辊架连接,用于驱动上压辊架在底座上移动；驱动机构安装在底座上,用于驱动下压辊滚动。本发明的滚压装置通过压辊的滚压能够实现待加工表面微结构的建造,从而实现材料表面的超疏水性。(The invention relates to a rolling device for realizing various super-hydrophobic surface microstructure shapes and an application method thereof, and the rolling device comprises a base, a driving mechanism and a compression roller component; the press roll component comprises an upper press roll group and a lower press roll, the upper press roll group comprises an upper press roll frame and a plurality of upper press rolls which are arranged on the upper press roll frame and have different surface appearances, the plurality of upper press rolls are detachably connected with the upper press roll frame, the upper press roll frame is movably arranged on the base, and two ends of the lower press roll are arranged on the base; one of the upper press rolls is parallel to the lower press roll and is provided with a gap for placing a substrate to be processed; the surface of the upper press roll is provided with protrusions arranged in an array manner to form a surface appearance; the base is also provided with a roller spacing adjusting part, and the roller spacing adjusting part is connected with the upper compression roller frame and is used for driving the upper compression roller frame to move on the base; the driving mechanism is arranged on the base and used for driving the lower pressing roller to roll. The rolling device can realize the construction of the surface microstructure to be processed through the rolling of the pressing roller, thereby realizing the super-hydrophobicity of the material surface.)
技术领域
本发明涉及超疏水表面制造技术领域，具体涉及实现多种超疏水表面微结构形貌的滚压装置及其应用方法。
背景技术
超疏水表面有着自清洁、防腐蚀、减阻、防覆冰和耐摩擦等性能，可运用于船舶、航空航天和管道运输等行业，具有良好的应用前景。例如，具有自清洁性的挡风玻璃和后视镜在雨、雪、雾天和易结霜环境下可有效避免气候对驾驶员视线造成的影响，减少盲区和视线模糊不清的情况，提高驾驶安全性。在生物医药行业，超疏水材料可以防止污垢、细胞吸附，具有更好的生物相容性。在厨房家居中，采用自清洁表面可以减少油烟等沉积，减少日常保洁工作量。
研究发现，超疏水表面是由微纳米级微结构和极低的表面自由能组成。要实现超疏水，需要采用低表面张力材料并在表面加工出特定的微纳米结构。研究表明，光滑表面即使覆盖已知表面能最低的C20F42(全氟二十碳烷，表面能仅6.7mJ/m2)也不能实现超疏水，与水接触角不超过120°。因此，要实现超疏水，关键是在材料表面加工出特定的微纳结构。
当前，关于超疏水表面制备的方法已有几十年的研究，制备方法高度多样化，传统的超疏水表面制备方法主要有模板法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、激光刻蚀法和化学刻蚀法等等，适合小样品的制备，较为费时费力，且现有方法大多需要昂贵的原材料进行制备、修饰或需要特殊的加工设备，或操作过程复杂，在大面积制备时难以控制。
发明内容
为了解决现有方法微结构表面制备过程复杂、不能大面积制备具有不同微结构形貌表面的技术问题，而提供实现多种超疏水表面微结构形貌的滚压装置及其应用方法。本发明装置通过压辊的滚压能够实现待加工表面微结构的建造，从而实现材料表面的超疏水性。
为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
实现多种超疏水表面微结构形貌的滚压装置，其特征在于，包括底座和驱动机构和压辊部件；
压辊部件包括上压辊组和下压辊，上压辊组包括上压辊架与安装在上压辊架多个表面形貌不同的上压辊，多个上压辊与上压辊架可拆卸连接，的上压辊架活动安装在底座上，下压辊的两端安装在底座上；其中一个上压辊与下压辊平行并留有间隙，间隙用于放置待加工基材；上压辊的表面具有陈列排布的凸起形成表面形貌；
底座上还设置有调辊距部件，调辊距部件与上压辊架连接，用于驱动上压辊架在底座上移动；驱动机构安装在底座上，用于驱动下压辊滚动。
进一步地，上压辊架为十字型架，上压辊架具有中心滚轴，上压辊架两端设置有十字型的固定架；多个上压辊位于上压辊架的凹槽中，并通过上压辊的滚轴与固定架的架杆可拆卸连接；底座上设置有滑槽，固定架滑动设置在滑槽内，中心滚轴贯穿固定架并与调辊距部件固定连接。
再进一步地，调辊距部件从下往上依次包括支撑座、垫块、稳定部、固定端以及液压缸；垫块固定安装在支撑座上，液压缸的活塞与垫块固定连接，固定端固定安装在液压缸的缸体上，中心滚轴与固定端固定连接，稳定部固定设置在底座上，活塞穿过稳定部。
再进一步地，上压辊的个数为四个。
再进一步地，架杆的端部具有安装槽，上压辊转动安装在安装槽内，通过锁紧件与安装槽可拆卸连接并将上压辊锁紧于安装槽内。
进一步地，驱动机构为电动机，电动机通过齿轮组与下压辊传动连接。
进一步地，凸起为半圆形凸起、三角形凸起、矩形凸起、梯形凸起、多边形凸起中的一种或几种；凸起的高度是上压辊的直径的0.1％～0.5％。
本发明另一方面提供以上的滚压装置的应用方法，滚压装置通过凸起在具有疏水性基材表面制备微结构形貌以获得超疏水表面，超疏水表面的接触角大于150°；或者通过凸起在在亲水性基材表面制备微结构形貌以获得疏水性表面，疏水性表面的接触角大于90°，并对制得的疏水性表面进行化学修饰以获得超疏水表面。
有益技术效果：
本发明的滚压装置包括下压辊和可更换式、可调节表面形貌的上压辊，可根据不同厚度的基材通过液压缸调节上下压辊的距离，通过多个上压辊的不同表面微结构形貌在基材表面进行滚压，以实现基材表面微结构形貌的建造，还可以在压辊上涂覆低表面自由能物质，并同时将低表面自由能物质与微结构形貌转印与基材表面，不仅能够在基材上实现大面积超疏水表面的制备，还降低了人力消耗，且设备简单、无复杂的制备工艺，在正常的室内环境进行即可，制备速度明显提升。
附图说明
图1为实施例1的实现多种超疏水表面微结构形貌的滚压装置的结构示意图。
图2为实施例1的实现多种超疏水表面微结构形貌的滚压装置的A-A剖面视图。
其中，1-底座，2-驱动机构，3-压辊部件，31-上压辊组，311-上压辊架，3111-中心滚轴，312-上压辊，32-下压辊，4-固定架，41-架杆，42-锁紧件，5-调辊距部件，51-支撑座，52-垫块，53-稳定部，54-固定端，55-液压缸，56-活塞，6-齿轮组。
图3为实施例1中的实现多种超疏水表面微结构形貌的滚压装置的上压辊表面具有的凸起的形貌，其中Model A的凸起形状为矩形、Model B的凸起形状为半圆形、Model C的凸起形状为梯形、Model D的凸起形状为三角形。
图4为应用例2和应用例3中对亲水性基材钢片先进行滚压装置的辊压再进行化学修饰后制得的钢片表面的接触角度，其中a代表应用例2，b代表应用例3。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
实施例1
实现多种超疏水表面微结构形貌的滚压装置，其结构示意图如图1所示，包括底座1和从下往上依次设置于底座1内的驱动机构2和压辊部件3，驱动机构2与底座1的一侧内壁连接，压辊部件3与底座1的两侧内壁连接；
压辊部件3包括上压辊组31和下压辊32，上压辊组31包括上压辊架311与安装在上压辊架311四周的四个表面形貌不同的上压辊312，多个上压辊312与上压辊架311可拆卸连接，的上压辊架312活动安装在底座1上，下压辊32的两端安装在底座1上；其中一个上压辊312与下压辊32平行并留有间隙，间隙用于放置待加工基材；上压辊312的表面具有陈列排布的凸起形成表面形貌；
底座1上还设置有调辊距部件5，调辊距部件5与上压辊架311连接，用于驱动上压辊架311在底座1上移动；驱动机构2安装在底座1上，用于驱动下压辊32滚动。
如图2中的A-A剖面视图所示，其中，上压辊架311为十字型架，上压辊架311具有中心滚轴3111，上压辊架311两端设置有十字型的固定架4；多个上压辊312位于上压辊架311的凹槽中，并通过上压辊312的滚轴与固定架4的架杆41可拆卸连接；底座1上设置有滑槽，固定架4滑动设置在滑槽内，中心滚轴3111贯穿固定架4并与调辊距部件5固定连接。
其中，调辊距部件5从下往上依次包括支撑座51、垫块52、稳定部53、固定端54以及液压缸55；垫块52固定安装在支撑座51上，液压缸55的活塞56与垫块52固定连接，固定端54固定安装在液压缸55的缸体上，中心滚轴3111与固定端54固定连接，稳定部53固定设置在底座1上，活塞56穿过稳定部53。若活塞56较长的话其中设置的稳定部53具有稳定活塞的作用。
其中，架杆41的端部具有安装槽，上压辊312转动安装在安装槽内，通过锁紧件42与安装槽可拆卸连接并将上压辊312锁紧于安装槽内。
其中，驱动机构2为电动机，电动机通过齿轮组6与下压辊32传动连接。
其中，上压辊312上的凸起的模型如图3所示，四个上压辊312的表面形貌分别具有Model A的矩形凸起(矩形凸起之间设置间隔，间隔宽度为30μm～80μm)、Model B的半圆形凸起、Model C的梯形凸起、Model D的三角形凸起，其中Model D三角形凸起可以是等腰或等边三角形或直角三角形，凸起的高度是上压辊312的直径的0.1％～0.5％，优选是0.3％，例如设置上压辊312的直径是5cm，那么凸起的高度是150μm；对于凸起的形状在亲水性表面所制得的表面微结构形貌均具有疏水性(接触角大于90°)，对疏水性表面进行仿真模拟测得接触角由大到小的排列顺序为：半圆形凸起>梯形凸起>矩形凸起>三角形凸起。
工作原理：首先根据所需要加工的微结构形貌选用上压辊312，然后安装所需要的上压辊312，再根据待加工基材的厚度，通过调辊距部件5的活塞56使得上压辊架311在活塞56上上下移动，并由此上下调节整个上压辊组31与下压辊32间隙的距离，开启驱动机构2，装置开始运行，通过齿轮组6啮合传动下压辊32，通过待加工基材与上压辊312之间的摩擦力使得上压辊312进行转动，最终在待加工基材的表面加工出对应凸起表面形貌的微结构形貌。
应用例1
将实施例1中的滚压装置应用与超疏水表面的制备：本应用例采用的待加工基材为具有疏水性接触角大于90°)的芯片基材PDMS材料，采用具有半圆形凸起的上压辊312上压辊直径5cm，其上的凸起高度为150μm)，安装该上压辊312与下压辊32垂直靠近，再根据芯片基材PDMS材料的厚度，通过调辊距部件5调节上压辊312、下压辊32间隙的距离，开启电动机2，装置开始运行，通过齿轮组6啮合传动下压辊32，带动上压辊312运行，最终在芯片基材PDMS材料的表面加工出对应半圆形凸起的微结构形貌。
对本应用例制得具有对应半圆形凸起的微结构形貌的芯片基材PDMS材料进行接触角测试，测得经过本发明装置的滚压后表面的接触角达到了163±0.5°，滚动角为小于10°。
采用本发明的滚压装置在具有一定疏水性基材的表面进行微结构形貌的制备能够获得超疏水表面。
应用例2
将实施例1中的滚压装置应用与超疏水表面的制备：本应用例采用的待加工基材为钢片亲水性基材)，采用具有矩形凸起的上压辊312上压辊直径5cm，其上的凸起高度为150μm，凸起的长度为30μm，矩形凸起与矩形凸起之间的间隔为60μm)，安装该上压辊312与下压辊32垂直靠近，再根据钢片的厚度，通过调辊距部件5调节上压辊312、下压辊32间隙的距离，开启电动机2，装置开始运行，通过齿轮组6啮合传动下压辊32，带动上压辊312运行，先在钢片的表面加工出对应矩形凸起的微结构形貌；
然后再对具有对应矩形凸起的微结构形貌的钢片进行十六烷基三甲氧基硅烷的表面修饰，表面修饰方法：把试样在室温下浸入十六烷基三甲氧基硅烷溶液其中十六烷基三甲氧基硅:无水乙醇:去离子水＝1:1:13，质量比，并用磁力搅拌器搅拌120min制备而成)，浸泡60min后，在120℃下干燥150min，接着用乙醇超声清洗2min并在120℃下干燥20min。
对本应用例先经过本发明实施例1中滚压装置制得微结构形貌再进行表面修饰后的钢片进行接触角测试，结构如图4-a所示，接触角为153±0.5°；对其进行滚动角测试测得滚动角小于10°。
采用本发明的滚压装置在亲水性基材表面制得微结构形貌再进行表面修饰后能够获得超疏水表面。
应用例3
本应用例与应用例2的方法相同，不同之处在于，所采用的上压辊312其上的矩形凸起为：凸起高度为150μm，凸起的长度为15μm，矩形凸起与矩形凸起之间的间隔为50μm。
对本应用例先经过本发明实施例1中滚压装置制得微结构形貌再进行表面修饰后的钢片进行接触角测试，结构如图4-b所示，接触角为161±0.5°；对其进行滚动角测试测得滚动角小于10°。
采用本发明的滚压装置在亲水性基材表面制得微结构形貌再进行表面修饰后能够获得超疏水表面。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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