一种化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面制备方法与流程

本发明属于材料表面改性领域，尤其涉及一种化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面制备方法。

背景技术：

润湿性是固体表面的重要性质之一，其由表面化学组成和表面粗糙度共同决定。随着人们对润湿性研究的深入，实际应用领域对表面润湿性的要求也不再仅限于传统的亲水性和疏水性。为了研制出更具有独特性能的润湿性表面，人们开始尝试将一些结构加入到润湿材料表面设计之中。

柔性多级结构表面是以具有柔性特征的材料为基底，利用某种方法在基底表面上形成的多级梯度结构表面。虽然柔性材料与多级梯度结构的协同设计使其材料表面的疏水性能得到了提高，还可以通过对材料的拉伸来改变其疏水程度，但驱动液滴定向运输能力还有待进一步加强。为此，在完善了材料表面物理结构的基础上，还可以设计一种可以改变材料表面化学性质的方法来加强其液滴的运输能力。

由于润湿性化学梯度材料具有不同于单一润湿性材料的性能，在其表面上不同区域润湿性呈梯度排布，使得近些年来受到越来越多的关注和研究。润湿性梯度表面是一种组分、结构和润湿性等随空间连续变化或者阶梯变化的高性能材料，在对液体的润湿性能发生梯度变化的材料表面上，液体在梯度方向受到的表面张力不相等，导致液体存在由低表面能处向高表面能处自动流动的趋势和能力。构造润湿性梯度的主要方法为利用表面化学梯度修饰和构筑表面结构梯度的方法。但大多数研究仅局限于对材料表面润湿梯度的改造，对液滴驱动效果影响不大，没有一种较为明显的改进方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面制备方法，从而制备出具有良好液滴驱动性能的表面，提高材料表面的润湿性能，达到简单、经济并且能够广泛应用的目的。

为此采用如下的技术方案：一种化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤（1）制备涂覆液：将聚二甲基硅氧烷的预聚物与交联剂以质量为10:1的比例混合搅拌均匀，之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的气泡，制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液；

步骤（2）制备掩盖板：取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板，利用三维绘图软件绘制出梯度结构排布图，所述梯度结构排布图是以直径为10μm、深40μm的单元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板长边为准，以第一个1mm的距离内单元孔间距为10μm，在第二个1mm的距离内单元孔间距增至20μm并以此类推；然后以绘制的梯度结构排布图为参照，对硅模板进行雕刻处理；选用的基底为玻璃基底，并对其进行预清洗，即将玻璃基底依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声10~20min，超声频率为50~100hz，之后用水洗净并进行干燥处理；然后将处理好的硅模板紧密贴合在预清洗后的玻璃基底表面上；将步骤（1）制备的涂覆液通过旋涂的方式均匀覆盖在硅模板表面，具体旋涂方式的旋涂次数为1次，先以每分钟1500转的速率旋涂5s，再以每分钟8000转的速率旋涂20s，最后以每分钟1500转的速率旋涂5s，之后将旋涂有涂覆液的硅模板以温度为75℃干燥20min，从而在硅模板表面上形成涂覆液的薄膜；

步骤（3）制备具有柔性的多级梯度结构表面：准备厚度为1mm、宽为25mm的vhb胶带，先将vhb胶带拉伸，并维持50%-200%的应变量，然后将步骤（2）制得的掩盖板旋涂有涂覆液薄膜的一面与拉伸后的vhb胶带紧密贴合，在温度为80℃的烘箱中处理2个小时；之后将玻璃基底与硅模板揭下，复制了硅模板梯度结构的涂覆液薄膜便与vhb胶带紧密贴合；其中对vhb胶带的预拉伸应变量越大，得到的柱子结构越为密集，即材料表面越为的亲水；最后释放对vhb胶带的拉力，紧贴在vhb胶带表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收缩力在其表面上产生屈曲与梯度相结合的多级结构；

步骤（4）制备遮挡板：使用三维绘图软件绘制出一个等边梯形，梯形上短边长25mm，下长边长82.8mm，高50mm，两腰长115mm且与上下边夹角分别为120°和60°，取一厚度0.3mm、尺寸与上述等边梯形相同的铜片，将铜片沿梯形的高折叠使之夹角呈90°，即折成一楔形的遮挡板；

步骤（5）制备化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面：将步骤（4）制得的遮挡板的三角形长边处覆盖在步骤（3）制备的具有柔性的多级梯度结构表面上，遮挡板的楔形开口方向为vhb胶带上柱子更密集的方向；将其放置在等离子表面处理机中处理60min后取出，将遮挡板移去后即得到化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面。

根据本发明所述的制备方法制备的化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面，在柔性多级梯度结构表面的基础上，结合了材料表面的化学性能变化形成的化学梯度，进一步增强了材料表面驱动液滴定向运输的能力。同时改变了材料的物理结构与化学结构：屈曲上的柱状结构从左到右其梯度变化为由疏到密，从而致使材料的疏水性从左到右由强变弱；经过等离子处理后的材料由于遮挡板的作用，其受到的反应程度从左到右其梯度变化为由小到大，材料本身为疏水性，经过处理后会变为亲水性，从而致使材料的疏水性从左到右由强变弱。两者的结合极大的提高了材料对于液滴的定向驱动能力，并且由于是以柔性的vhb胶带为基底制备的多级结构，还可以通过对基底的拉伸来实现多级结构排列密度的变化，从而实现对液滴定向驱动速度的控制。

本发明的有益效果是：

1）使材料的物理梯度与化学梯度相结合，进一步提高的材料定向驱动液滴的能力。

2）以通过对柔性基底的拉伸来改变梯度结构的排布密度，从而改变材料表面的疏水性程度，更易于操控。

3）制备方法简单经济。

附图说明

图1为具有柔性的多级梯度结构表面的制备示意图，图中标号为：1为vhb胶带，2为涂覆液薄膜，3为硅模板，4为玻璃基底，5为屈曲与梯度相结合的多级结构。

图2为多级结构表面等离子处理示意图，其中6为遮挡板。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照附图。实施例1本实施例包括以下步骤：

步骤（1）制备涂覆液：5g聚二甲基硅氧烷（pdms）涂覆液的预聚物与0.5g交联剂混合搅拌均匀，之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的气泡，制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液；

步骤（2）制备掩盖板：取一片长50mm、宽25mm、厚1mm的硅模板3，利用三维绘图软件绘制出梯度结构排布图，所述梯度结构排布图是以直径为10μm、深40μm的单元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板长边为准，以第一个1mm的距离内单元孔间距为10μm，在第二个1mm的距离内单元孔间距增至20μm并以此类推；然后以绘制的梯度结构排布图为参照，对硅模板进行雕刻处理；选用的基底为玻璃基底4，并对其进行预清洗，即将玻璃基底依次在丙酮、无水酒精、去离子水中超声10~20min，超声频率为50~100hz，之后用水洗净并进行干燥处理；然后将处理好的硅模板紧密贴合在预清洗后的玻璃基底表面上；将步骤（1）制备的涂覆液通过旋涂的方式均匀覆盖在硅模板表面，具体旋涂方式的旋涂次数为1次，先以每分钟1500转的速率旋涂5s，再以每分钟8000转的速率旋涂20s，最后以每分钟1500转的速率旋涂5s，之后将旋涂有涂覆液的硅模板以温度为75℃干燥20min，从而在硅模板3表面上形成涂覆液薄膜2；

步骤（3）制备具有柔性的多级梯度结构表面：准备厚度为1mm、宽为25mm的vhb胶带1，先将vhb胶带拉伸，并维持50%-200%的应变量，然后将步骤（2）制得的掩盖板旋涂有涂覆液薄膜2的一面与拉伸后的vhb胶带紧密贴合，在温度为80℃的烘箱中处理2个小时；之后将玻璃基底与硅模板揭下，复制了硅模板梯度结构的涂覆液薄膜便与vhb胶带紧密贴合；其中对vhb胶带的预拉伸应变量越大，得到的柱子结构越为密集，即材料表面越为的亲水；最后释放对vhb胶带的拉力，紧贴在vhb胶带表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收缩力在其表面上产生屈曲与梯度相结合的多级结构5；

步骤（4）制备遮挡板：使用三维绘图软件绘制出一个等边梯形，梯形上短边长25mm，下长边长82.8mm，高50mm，两腰长115mm且与上下边夹角分别为120°和60°，取一厚度0.3mm、尺寸与上述等边梯形相同的铜片，将铜片沿梯形的高折叠使之夹角呈90°，即折成一楔形的遮挡板；

步骤（5）制备化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面：将步骤（4）制得的遮挡板的三角形长边处覆盖在步骤（3）制备的具有柔性的多级梯度结构表面上，遮挡板的楔形开口方向为vhb胶带上柱子更密集的方向；将其放置在等离子表面处理机中处理60min后取出，将遮挡板移去后即得到化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面。

本方法制备的化学梯度与柔性多级梯度结构相结合的表面，材料表面上具有屈曲结构，在屈曲结构上还具有呈梯度分布的柱状结构，且材料表面具有化学梯度，润湿性由疏水性逐渐变为亲水性。液体在材料表面不同长度方向上接触角不同。步骤（5）中所述的等离子体处理后，材料表面润湿性原为疏水性，经过处理后为亲水性。由于遮挡板的作用，材料左边所受到的等离子体处理相比于右边少得多，且从左到右其受到的处理程度呈由少到多的梯度变化。