采用液体浸渍表面的装置和方法
【专利说明】采用液体浸演表面的装置和方法
[0001 ] 相夫申请案
[0002] 本申请案主张2013年5月24日提交的美国临时专利申请案第61/827, 444号和 2012年11月19日提交的美国临时专利申请案第61/728, 219号的权利，并且所述申请案W 全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明大体上设及非润湿和低粘着力表面。更具体地说，在某些实施例中，本发明 设及非润湿、液体浸溃表面，其经工程改造W消除钉扎和/或避免或诱导遮掩。
【背景技术】
[0004] 过去十年间微米/纳米工程化表面的出现已经开发了用于增强热流体科学中的 广泛多种物理现象的新技术。举例来说，微米/纳米表面纹理的使用已经提供了能够实现 较小粘性阻力、与冰和其它材料的减小粘着力、自清洁W及拒水性的非润湿表面。运些改进 一般由固体表面与相邻液体之间减少的接触（即，较少润湿）所致。
[0005] -种类型的所关注的非润湿表面是超疏水表面。一般来说，超疏水表面包括本质 上疏水表面，如疏水涂层上的微米/纳米级粗糖度。超疏水表面借助微米/纳米表面纹理 内的空气-水界面而不与水接触。
[0006] 现有非润湿表面（例如超疏水表面、超疏油表面W及超疏金属表面）的一个缺点 是其易于刺穿，破坏表面的非润湿能力。当撞击液体（例如液滴或液流）移置表面纹理内 夹带的空气时，发生刺穿。先前用W防止刺穿的努力已经集中在将表面纹理尺寸从微米级 降到纳米级上。
[0007] 虽然未在液体浸溃表面的先前研究中得到公认，浸溃液体可W覆盖和"遮掩"表面 上的接触液体（例如水滴）。举例来说，遮掩可W通过在水滴从表面溢出时夹带在水滴中引 起浸溃液体的渐进性损失。
[0008] 结霜是影响各种行业，包括运输、发电、建筑W及农业的另一问题。结霜的效果可 能导致电源线故障、农作物损坏W及飞机停滞。此外，霜和冰累积显著降低船舶、风轮机W 及HVAC系统的性能。目前使用的除冰的活性化学品、热W及机械技术在操作上是耗时并且 昂贵的。防止霜和冰增长的被动方法的发展是高度合乎需要的。疏水性表面具有对于冰核 作用的高能量势垒和低冰粘着强度，并且，如果W纳米级和/或微米级适当地粗糖化，那么 可W排斥过冷水滴的影响。然而，一旦表面结霜，疏水表面W及超疏水表面的防冰冻特性 被否定。结霜和冰粘着力还可W通过添加液体或油脂到工作表面上来减少。举例来说，冰 与飞机表面的粘着力通过涂覆娃脂显著降低，并且可W防止在涂布有注入丙二醇防冻剂的 100ym多孔层的冷冻机和热交换器的外部结霜。然而，在运两种情况下，非固体相牺牲并且 可能泄漏到环境中，造成显著的环境问题。
[0009] 需要稳固和/或提供最佳非润湿特性W及抗结霜的非润湿表面。
【发明内容】
[0010] 本文所描述的是非润湿表面，其在表面上包括浸溃在具有微米/纳米工程化特征 的矩阵内的液体，或在表面上包括液体填充孔隙或其它微小孔。在某些实施例中，与包括夹 带在表面纹理内的气体（例如空气）的先前非润湿表面相比，运些液体浸溃表面耐刺穿和 结霜，并且因此更稳固。
[0011] 覆盖固体特征的矩阵顶端的浸溃流体提供非润湿益处。然而，在平衡时，浸溃液体 可W不覆盖表面的固体特征（例如微柱或纳米草）顶端而无连续地补充。此外，在某些浸 溃流体确实覆盖固体特征顶端时，提供非润湿益处，其通常显示遮掩，并且除非补充否则浸 溃流体耗尽。
[0012] 据发现，液体浸溃表面可W经工程改造W提供耐刺穿性并且提供非润湿性，而不 需要补充浸溃流体来补偿液体损失W遮掩，并且不需要补充浸溃液体来维持覆盖在固体特 征顶端上。
[0013] 在一个方面，本发明设及一种包含液体浸溃表面的物品，所述表面包含浸溃液体 和固体特征的矩阵，所述固体特征经充分靠近地隔开W在其间或其内稳定地容纳所述浸溃 液体，其中W下中的一项或两项成立：（i)0<4《0.25,其中d)是在平衡（例如，其中平衡 可W涵盖伪平衡）时液体浸溃表面的投影表面积对应于非浸没固体（即，非由浸溃液体浸 没，例如可W是"非浸没"并且仍与水接触）的代表性分数拟及（U)SwW<〇,其中是 铺展系数，定义为丫。y-丫。。-丫。y，其中丫是由下标指示的两相之间的界面张力，所述下标选 自W、VW及0,其中W是水，V是与表面接触的气相（例如空气），并且0是浸溃液体。
[0014] 在一些实施例中，0<(!)《0. 25 或 0. 01<<1)《0. 25 或 0. 05<<1)《0. 25。在一些实 施例中，S?w<〇。
[0015] 在一些实施例中，浸溃液体包含选自由W下组成的群组的至少一员：娃酬油、丙 二醇二辛酸醋/二癸酸醋、全氣聚酸（PFP巧、聚a-締控（PA0)、合成控共寡聚物、氣化聚 硅氧烷、丙二醇、四氯乙締（全氯乙締）、异硫氯酸苯醋（苯基芥子油）、漠苯、舰苯、邻漠甲 苯、a-氯糞、a-漠糞、四漠化乙烘、1-下基-3-甲基咪挫鐵双氣甲基横酷基）酷亚胺 度MIm)、S漠丙烷（1，2,3-S漠丙烷）、二漠化乙締、二硫化碳、漠仿、舰化亚甲基（二舰甲 烧）、斯塔诺拉克斯（stanolax)、施贵宝氏（Squibb'S)液体矿脂、对漠甲苯、单漠苯、全氯乙 締、二硫化碳、苯基芥子油、单舰苯、a-单氯-糞、四漠化乙烘、苯胺、下醇、异戊醇、正庚醇、 甲酪、油酸、亚麻油酸W及邻苯二甲酸戊醋。
[0016] 在一些实施例中，固体特征包含选自由W下组成的群组的至少一员：聚合固体、陶 瓷固体、氣化固体、金属间固体W及复合固体。在一些实施例中，固体特征包含化学改性表 面、涂布表面、具有粘结单层的表面。在一些实施例中，固体特征界定选自由W下组成的群 组的至少一员：孔隙、腔、孔、互连孔隙W及互连腔。在一些实施例中，固体特征包含选自由 W下组成的群组的至少一员：柱、纳米针、纳米草、实质上球形粒子W及非晶形粒子。在一些 实施例中，固体特征具有粗糖表面（例如，固体特征的表面粗糖度例如〉50nm、〉100nm，并且 还<lym)。在一些实施例中，粗糖表面提供液体在其间或其内的稳定浸溃，使得 〈9。。其中9。是临界接触角。
[0017] 在一些实施例中，液体浸溃表面经配置W使得与表面接触的水滴不在表面上钉扎 或刺穿并且具有小于40°的滚动角a。在一些实施例中，水滴的滚动角a小于35°、小于 30°、小于25。或小于20。。
[0018] 在另一方面，本发明设及一种包含液体浸溃表面的物品，所述表面包含浸溃液体 和固体特征的矩阵，所述固体特征经充分靠近地隔开W在其间或其内稳定地容纳所述浸溃 液体，其中W下中的一项或两项成立:：（i) 0。5(?),后退=〇拟及扣）0。5切,后退=〇和0。5?,后 ?=〇,其中是浸溃液体（例如油，下标'〇')在水（下标'W')存在下在表面（下 标's')上的后退接触角，并且其中是浸溃液体（例如油，下标'〇')在气相（下 标'V'，例如空气）存在下在表面（下标's')上的后退接触角。
[0019] 在另一方面，本发明设及一种液体浸溃表面，所述表面包含浸溃液体和固体特征 的矩阵，所述固体特征经充分靠近地隔开W在其间或其内稳定地容纳所述浸溃液体，其中 W下中的一项或两项成立：（i)0MW,后退〉〇;W及（ii) 0。5?,后退〉〇,其中后退是浸溃液 体（例如油，下标'〇')在气相（下标'V'，例如空气）存在下在表面（下标's')上的后退 接触角，并且其中是浸溃液体（例如油，下标'〇')在水（下标)存在下在表 面（下标's')上的后退接触角。
[0020] 在一些实施例中，0M(v),后退〉0W及0MW,后退〉〇。在一些实施例中，W下中的一项 或两项成立：（i) 化及（ii)0 其中目。是临界接触角。在一些实 施例中，W下中的一项或两项成立：a)0MW,后退<e*c;W及扣）0后退<e*c，其中e*c =cosi(l/r)，并且其中r是表面的固体部分的粗糖度。
[0021] 在一些实施例中，物品是选自由W下组成的群组的一员：管道、蒸汽轮机部件、燃 气轮机部件、飞机部件、风轮机部件、眼镜、镜子、输电线、容器、挡风玻璃、发动机部件、喷 嘴、管或其部分或涂层。
[0022] 在另一方面，本发明设及一种包含内表面的物品，所述物品至少部分地封闭（例 如，物品是输油管道、其它管道、消费品容器、其它容器）并且适合于容纳或传送具有粘度 y1的流体，其中内表面包含液体浸溃表面，所述液体浸溃表面包含浸溃液体和固体特征的 矩阵，所述固体特征经充分靠近地隔开W在其间或其内稳定地容纳所述浸溃液体，其中浸 溃液体包含水（具有粘度y2)。
[0023] 在一些实施例中，yi/y2〉1。在一些实施例中，yi/y2〉〇. 1。在一些实施例中，化/ 时（yi/y2)〉〇.1(其中h是固体特征的平均高度并且R是管的半径或开放系统中的平均流 体深度）。在一些实施例中，化/R)(y1/^2) >0.5。在一些实施例中，R< 1mm。
[0024] 在一些实施例中，浸溃液体包含添加剂（例如表面活性剂）W防止或减少浸溃液 体的蒸发。在一些实施例中，所述表面包含延伸高于所述固体特征的过量浸溃液体（例如 油）的拉升区域。
[0025] 在另一方面，本发明设及一种包含液体浸溃表面的物品，所述表面包含浸溃液体 和固体特征的矩阵，所述固体特征经充分靠近地隔开W在其间或其内稳定地容纳所述浸溃 液体，其中W下中的一项或两项成立：（i)〇<4《0.25,其中4是在平衡（例如，其中平衡 可W涵盖伪平衡）时液体浸溃表面的投影表面积对应于非浸没固体（即，非由浸溃液体浸 没-可W是"非浸没"并且仍与表面外部的非气相接触）的代表性分数；W及（ii)SwW<〇， 其中Sww是铺展系数，定义为丫 丫。。-丫W，其中丫是由下标指示的两相之间的界面张 力，所述下标选自e、vW及0,其中e是在表面外部并且不同于浸溃液体的非气相（例如液 体或半固体），V是表面外部的气相（例如空气），并且0是浸溃液体。
[0026] 在一些实施例中，0< 4《0. 25。在一些实施例中，0.OK4《0. 25。在一些实施 例中，0. 05<d)《0. 25。在一些实施例中，SwW<〇。
[0027] 在一些实施例中，浸溃液体包含选自由W下组成的群组的至少一员：娃酬油、丙 二醇二辛酸醋/二癸酸醋、全氣聚酸（PFP巧、聚a-締控（PA0)、合成控共寡聚物、氣化聚 硅氧烷、丙二醇、四氯乙締（全氯乙締）、异硫氯酸苯醋（苯基芥子油）、漠苯、舰苯、邻漠甲 苯、a-氯糞、a-漠糞、四漠化乙烘、1-下基-3-甲基咪挫鐵双氣甲基横酷基）酷亚胺 度MIm)、S漠丙烷（1，2,3-S漠丙烷）、二漠化乙締、二硫化碳、漠仿、舰化亚甲基（二舰甲 烧）、斯塔诺拉克斯、施贵宝氏液体矿脂、对漠甲苯、单漠苯、全氯乙締、二硫化碳、苯基芥子 油、单舰苯、a-单氯-糞、四漠化乙烘、苯胺、下醇、异戊醇、正庚醇、甲酪、油酸、亚麻油酸W 及邻苯二甲酸戊醋。
[002引在一些实施例中，固体特征包含选自由W下组成的群组的至少一员：聚合固体、陶 瓷固体、氣化固体、金属间固体W及复合固体。在一些实施例中，固体特征包含化学改性表 面、涂布表面、具有粘结单层的表面。在一些实施例中，固体特征界定选自由W下组成的群 组的至少一员：孔隙、腔、孔、互连孔隙W及互连腔。在一些实施例中，固体特征包含选自由 W下组成的群组的至少一员：柱、纳米针、纳米草、实质上球形粒子W及非晶形粒子。在一 些实施例中，固体特征具有粗糖表面（例如，固体特征的表面粗糖度<1ym)。在一些实施 例中，粗糖表面提供液体在其间或其内的稳定浸溃，使得0mW,€?<0。。其中0。是临界接 触角。在一些实施例中，液体浸溃表面经配置W使得与表面接触的水滴不在表面上钉扎或 刺穿并且具有小于40°的滚动角a。在一些实施例中，水滴的滚动角a小于35°、小于 30°、小于25。或小于20。。
[0029] 在另一方面，本发明设及一种包含液体浸溃表面的物品，所述表面包含浸溃液体 和固体特征的矩阵，所述固体特征经充分靠近地隔开W在其间或其内稳定地容纳所述浸溃 液体，其中W下中的一项或两项成立：：（i)目。s(e),后退=0拟及扣）目。s(v),后退=0和目。s(e),后 0,其中0 是浸溃液体（例如油，下标'〇')在表面外部不同于浸溃液体的非气相 (例如液体、固体、半固体、凝胶）（下标'e')存在下在表面（下标'S')上的后退接触角， 并且其中是浸溃液体（例如油，下标'〇')在气相（下标'V'，例如空气）存在下 在表面（下标's')上的后退接触角。
[0030] 在另一方面，本发明设及一种包含液体浸溃表面的，所述表面包含浸溃液体和固 体特征的矩阵，所述固体特征经充分靠近地隔开W在其间或其内稳定地容纳所述浸溃液 体，其中W下中的一项或两项成立：a) 0M(V),后退〉0 及（U) 0。5村,后退〉0,其中0〇S(V),后退 是浸溃液体（例如油，下标'〇')在气相（下标'V'，例如空气）存在下在表面（下标's') 上的后退接触角，并且其中是浸溃液体（例如油，下标'〇')在表面外部不同于浸 溃液体的非气相（例如液体、固体、半固体、凝胶）（下标'e')存在下在表面（下标's') 上的后退接触角。
[0031] 在一些实施例中，0M(V),后退〉0化及0。5村