在薄膜上生成微纳米多孔结构的设备、方法和制得的薄膜与流程

本发明涉及灌注液体型光滑多孔表面(SLIPPERY LIQUID-INFUSEDPOROUS SURFACES，SLIPS)材料制备领域，尤其涉及一种在薄膜上生成微纳米多孔结构的设备、方法和由该方法制得的薄膜及其应用。

背景技术：
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仿猪笼草效应的灌注润滑液的光滑多孔表面(SLIPS)是将润滑液如全氟聚醚、硅油、离子液体等灌注到微/纳粗糙结构基材中制备的。SLIPS材料表面可达到分子尺度的光滑，能显著减小液滴滑动角和滞后角，具有全方位疏液、自修复、透明度高、温度和压力稳定性好等诸多优点，能够高效抑制各种基材包括油脂、血液、冰以及生物膜的黏附，在自清洁涂料、海洋防污、生物医用领域具有广阔的应用前景。

如何制造出具有SLIPS材料中的微纳米多孔结构的基材，是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：
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为了解决上述技术问题，本发明提供在薄膜上生成微纳米多孔结构的设备、方法、微纳米多孔结构薄膜及其应用，能在薄膜表面形成呈自然形态分布的微纳米多孔结构。

本发明实施例采用以下技术方案：

一种在薄膜上生成微纳米多孔结构的设备，包括：

滚筒，其具有空腔，在所述空腔内设置有磁性元件；

输送机构，用于将薄膜输送到滚筒；

加热器，其设置于滚筒外侧；以及

颗粒轰击装置，其设置于滚筒外侧，用于在磁场作用下，向所述滚筒上的薄膜以超音速喷射微纳米颗粒；

其中，所述加热器和颗粒轰击装置沿所述薄膜的输送路径依次设置，所述磁性元件用于向所述颗粒轰击装置与所述滚筒外表面之间的区域提供磁场。

其中，所述加热器和颗粒轰击装置沿所述薄膜的输送路径依次设置。

其中，所述磁性元件固定在所述滚筒的空腔内，可相对于所述滚筒转动。

其中，所述磁性元件设置在滚筒的内壁上。

其中，所述输送机构包括沿薄膜输送路径依次设置的输送辊、第一导向辊、第二导向辊和回收辊，第一导向辊和第二导向辊分别设置于滚筒的两侧的底部。

其中，所述颗粒轰击装置包括：颗粒混匀腔体，料斗，压缩气体入口以及喷嘴；

所述颗粒混匀腔体用于收容所述微纳米颗粒，所述料斗设置在所述颗粒混匀腔体的上方，与所述颗粒混匀腔体连通；所述压缩气体入口设置在所述颗粒混匀腔体上，用于输入压缩气体；所述喷嘴设置在所述颗粒混匀腔体的一侧，用于输出微纳米颗粒；所述喷嘴相对于所述滚筒的外表面设置。

其中，所述颗粒混匀腔体包括与所述喷嘴连接的锥形部；所述喷嘴包括与所述锥形部连接的一端以及远离所述锥形部的开口；所述磁性颗粒从所述开口输出；所述喷嘴与所述锥形部连接的一端的横截面积大于与所述开口的横截面积。

一种应用如上所述的设备在薄膜上生成微纳米多孔结构的方法，包括：

将薄膜输送到滚筒并覆盖于滚筒外表面；

加热覆盖于所述滚筒外表面的薄膜，以使所述薄膜的表面塑化；

在磁场作用下，采用微纳米颗粒轰击覆盖于所述滚筒外表面的薄膜，以在所述薄膜上形成呈自然形态分布的微纳米多孔结构。

其中，所述磁场为所述颗粒轰击装置与所述滚筒外表面之间的磁场，由滚筒内的磁性元件提供。

一种微纳米多孔结构薄膜，所述薄膜表面具有微纳米多孔结构，所述微纳米多孔结构采用如上所述的方法生成到所述薄膜表面。

一种如上所述的微纳米多孔结构薄膜在机械工程、扬声器、医学、手术、航天器推进或分析仪器中的应用。

与现有技术相比较，本发明在磁性元件产生的磁场作用下采用微纳米颗粒轰击薄膜，微纳米颗粒依磁场分布不同程度地轰击薄膜，在磁场强度较大的地方，所述微纳米颗粒轰击强度较大，而磁场强度较小的地方，所述微纳米颗粒轰击强度较小，不同的轰击强度，使得所述磁性颗料在轰击薄膜时，可产生不同程度的塑性变形，从而产生粒径范围较大的纳米晶，而且薄膜的表面被不同程度的轰击后，可形成大小不一的坑，使得所述薄膜的表面形成呈自然形态分布的微纳米多孔结构。

附图说明：

图1为本发明的在薄膜上生成微纳米多孔结构的设备的结构示意图；

图2为本发明的颗粒轰击装置的结构示意图；

图3为本发明的在薄膜上生成微纳米多孔结构的方法的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

本发明实施例的其中一个目的在于采用微纳米颗粒在超音速下轰击滚筒外表面的薄膜，以使得所述薄膜表面形成呈自然形态分布的微纳米多孔结构。

请参阅图1，本发明实施例提供一种在薄膜10上生成微纳米多孔结构的设备20，包括滚筒100、输送机构200、加热器300和颗粒轰击装置400。其中，所述薄膜为离子聚合物薄膜,厚度为2mm至30mm，由PC、PET等聚合物制得。

所述滚筒100为中空圆柱体，具有一空腔110。所述滚筒100的直径为20mm至30mm，长度为100mm至120mm。所述滚筒100由金属或合金材料制得，例如，铜、不锈钢、镍铬合金、镍铜合金等。

在滚筒100的空腔110内设置有磁性元件120，用于提供磁场，具体为向所述颗粒轰击装置400与所述滚筒100外表面之间的区域提供磁场。磁性元件120由磁性材料制得，如：铁氧体、钕铁硼、钐钴磁体、铝镍钴磁铁、铁铬钴磁铁等。

所述输送机构200包括沿薄膜10输送路径依次设置的：输送辊210、第一导向辊220、第二导向辊230和回收辊240。第一导向辊220和第二导向辊230分别设置于滚筒100的两侧的底部。输送机构200用于将薄膜10输送到滚筒100，并接收加工后的薄膜10。

加热器300，设置于滚筒100外侧，例如设置于第一导向辊220的顶部。加热器300可设置1个或多个，当加热器300有多个时，沿薄膜10输送路径依次设置于第一导向辊220后。加热器300用于加热位于所述滚筒100上的薄膜10，并使所述微纳米颗粒附着在所述薄膜10上。加热器300为红外加热器。滚筒100自身的温度为室温或较低的温度。因此薄膜10底部温度为室温或较低的温度，薄膜10表面经加热器300加热后塑化。

如图2所示，颗粒轰击装置400包括颗粒混匀腔体410，料斗420，压缩气体入口430以及喷嘴440。颗粒轰击装置400用于在磁场作用下，向所述滚筒100上的薄膜10以超音速喷射磁性颗粒。

所述颗粒混匀腔体410用于收容微纳米颗粒，所述微纳米颗粒可在所述颗粒混匀腔体410中混匀，所述微纳米颗粒为氧化铁颗粒、二氧化铬颗粒、钴-氧化铁颗粒中的至少一种，所述微纳米颗粒的平均粒径为0.2至100μm。所述颗粒混匀腔体410包括一锥形部411。

所述料斗420设置于所述颗粒混匀腔体410的上方，并与所述颗粒混匀腔体410相连通。

所述压缩气体入口430设置于所述颗粒混匀腔体410的下方，并与所述颗粒混匀腔体410相连通，用于输入压缩气体进入所述颗粒混匀腔体410。

所述喷嘴440设置于所述颗粒混匀腔体410的一侧，并与所述颗粒混匀腔体410相连通。所述喷嘴440大致为锥形，横截面较大的一端与所述锥形部411连接，横截面较小的一端设有一开口441，所述开口441为圆形，直径为5mm至10mm。所述喷嘴440的长度为180mm至250mm。

所述微纳米颗粒在所述颗粒混匀腔体410中混匀，从所述喷嘴440喷射而出。所述喷嘴440朝向所述滚筒100，所述喷嘴440具有开口441的一端与所述滚筒100最接近所述喷嘴440的一处距离为15mm至28mm，也即喷射距离为15mm至28mm。

如图1所示，颗粒轰击装置400对应于滚筒100上覆盖薄膜10的位置设置。颗粒轰击装置400可设置1个或多个，颗粒轰击装置400有多个时，其均匀分布于滚筒100外侧，例如沿薄膜10输送路径依次设置于加热器300后。

所述磁性元件120可固定在所述滚筒100的空腔内，用于向所述喷嘴440与所述滚筒100之间的区域提供磁场。所述滚筒100可相对于所述磁性元件120转动，也即所述滚筒100转动时，所述磁性元件120保持固定。磁性元件120还可设置在滚筒100的内壁上，例如多个磁性元件120均匀或不均匀地分布于滚筒100的内壁上，滚筒100可相对于所述磁性元件120静止，也即所述滚筒100转动时，所述磁性元件120跟随转动。

滚筒100和输送机构200均通过驱动装置驱动其转动，可以采用现有技术中常规的驱动装置来实现，例如电机或气缸，电机或气缸(驱动装置)与滚筒100和输送机构200(被驱动装置)之间通过传动机构连接。

请参阅图3，本发明实施例提供一种在薄膜上生成微纳米多孔结构的方法，可采用本发明实施例提供的所述在薄膜上生成微纳米多孔结构的设备20实现，该方法包括：

步骤102、将薄膜输送到滚筒并覆盖于滚筒外表面。

步骤104、加热覆盖于所述滚筒外表面的薄膜，以使所述薄膜的表面塑化。

可通过红外线加热覆盖于所述滚筒外表面的薄膜。PC薄膜的热变形温度为134℃，因此加热温度需要超过134℃。PET薄膜的热变形温度为70℃，因此加热温度需要超过70℃。

步骤106、在磁场作用下，采用微纳米颗粒轰击覆盖于所述滚筒外表面的薄膜，以在所述薄膜上形成呈自然形态分布的微纳米多孔结构。

所述微纳米颗粒为氧化铁颗粒、二氧化铬颗粒、钴-氧化铁颗粒中的至少一种，所述微纳米颗粒的平均粒径为0.2至100μm。

由磁性元件提供磁场，该磁场为所述颗粒轰击装置400与所述滚筒100外表面之间的磁场。在所述磁性元件产生的磁场作用下，所述薄膜的外表面可形成呈自然形态分布的微纳米多孔结构。

具体操作时，薄膜10的输送方式为：未加工的薄膜10缠绕在输送机构200的输送辊210上，驱动装置驱动输送辊210转动从而输送薄膜10，薄膜10输送到第一导向辊220，驱动装置驱动第一导向辊220转动从而继续输送薄膜10至滚筒100的一侧，并使从第一导向辊220输送的薄膜10在滚筒100的该侧能大部分与滚筒100紧密接触，滚筒100转动使薄膜10绕过滚筒100从而被输送到滚筒100另一侧的第二导向辊230，驱动装置驱动第二导向辊230转动继续输送薄膜10，并使被输送到第二导向辊230之前的薄膜10在滚筒100的该侧能大部分与滚筒100紧密接触，最后通过输送机构200的回收辊240接收加工后的薄膜10。

当薄膜10开始输送后，启动加热器300，加热输送至加热器300位置处的薄膜10，使薄膜塑化，从而使后续的微纳米颗粒能附着于薄膜10并与薄膜10成为一体结构。

设置所述磁性元件120于所述滚筒100的内壁，用于向所述喷嘴440与所述滚筒100之间的区域提供磁场。所述压缩气体入口30接入压缩气体，所述气体为惰性气体，如氮气或氩气等。所述压缩气体的压力为1.75MPa至2.5MPa。从所述料斗20注入微纳米颗粒，所述微纳米颗粒为氧化铁颗粒、二氧化铬颗粒、钴-氧化铁颗粒中的至少一种，所述微纳米颗粒的粒径为0.08μm至100μm。所述微纳米颗粒在所述颗粒混匀腔体410中混匀，并在所述压缩气体携带下，以超音速从所述喷嘴440喷射而出。

所述喷嘴440朝向所述滚筒100，所述喷嘴440具有开口441的一端与所述滚筒100最接近所述喷嘴440的一处距离为15mm至28mm，也即喷射距离为15mm至28mm。

在所述磁性元件120产生的磁场作用下，所述微纳米颗粒依磁场分布不同程度地轰击覆盖于所述滚筒100外表面的薄膜10，在磁场强度较大的地方，所述微纳米颗粒轰击强度较大，而磁场强度较小的地方，所述微纳米颗粒轰击强度较小。不同的轰击强度，使得所述磁性颗料在轰击覆盖于所述滚筒100外表面的薄膜10时，可产生不同程度的塑性变形，从而产生粒径范围较大的纳米晶，而且所述覆盖于所述滚筒100外表面的薄膜10的表面被不同程度的轰击后，可形成大小不一的坑，使得所述覆盖于所述滚筒100外表面的薄膜10的表面形成呈自然形态分布的微纳米多孔结构。

经X-射线衍射、原子力显微镜测试，所述覆盖于所述滚筒100外表面的薄膜10的表面的晶粒或坑的尺寸为3纳米至18微米，而且所述覆盖于所述滚筒100外表面的薄膜10的表面的形态分布自然，且可达到分子尺度的光滑。

以下结合具体实施例，详细说明本发明实施例在薄膜上生成微纳米多孔结构的技术方案。

实施例1：

首先，将待加工薄膜在输送机构和滚筒上安装好。薄膜为PET薄膜，厚度为2mm。滚筒长度为100mm，直径为20mm，内部放置有钕铁硼块，该钕铁硼块固定在滚筒内壁。输送机构和滚筒开始转动，输送薄膜。

然后，启动红外加热器，加热温度为70℃。

20S后，加热后的薄膜输送到微粒轰击装置位置，启动颗粒轰击装置，气体压力为1.75MPa的氩气从压缩气体接口输入，平均粒径为0.08μm的二氧化铬颗粒和钴-氧化铁颗粒从料斗中注入。通过高压氩气携带该二氧化铬颗粒和钴-氧化铁颗粒从喷嘴处以超音速射出。

在所述钕铁硼块形成的磁性区域的磁力作用下，二氧化铬颗粒和钴-氧化铁颗粒以不同的程度轰击滚筒上的薄膜表面。同时，在微粒轰击过程中，以每分钟1转的旋转速度旋转所述滚筒。

最后，当所有薄膜加工完成后，关闭设备。

实施例2

首先，将待加工薄膜在输送机构和滚筒上安装好。薄膜为PC薄膜，厚度为30mm。滚筒长度为120mm，直径为30mm，内部放置有钕铁硼块，该钕铁硼块固定在滚筒内壁。输送机构和滚筒开始转动，输送薄膜。

然后，启动红外加热器，加热温度为134℃。

20S后，加热后的薄膜输送到微粒轰击装置位置，启动颗粒轰击装置，气体压力为2.5MPa的氩气从压缩气体接口输入，平均粒径为100μm的二氧化铬颗粒和钴-氧化铁颗粒从料斗中注入。通过高压氩气携带该二氧化铬颗粒和钴-氧化铁颗粒从喷嘴处以超音速射出。

在所述钕铁硼块形成的磁性区域的磁力作用下，二氧化铬颗粒和钴-氧化铁颗粒以不同的程度轰击滚筒上的薄膜表面。同时，在微粒轰击过程中，以每分钟0.8转的旋转速度旋转所述滚筒。

最后，当所有薄膜加工完成后，关闭设备。

实施例3(对比例，没有磁场作用)

首先，将待加工薄膜在输送机构和滚筒上安装好。薄膜为PET薄膜，厚度为2mm。滚筒长度为100mm，直径为20mm。输送机构和滚筒开始转动，输送薄膜。

然后，启动红外加热器，加热温度为70℃。

20S后，加热后的薄膜输送到微粒轰击装置位置，启动颗粒轰击装置，气体压力为1.75MPa的氩气从压缩气体接口输入，平均粒径为0.08μm的二氧化铬颗粒和钴-氧化铁颗粒从料斗中注入。通过高压氩气携带该二氧化铬颗粒和钴-氧化铁颗粒从喷嘴处以超音速射出。

同时，在磁性微粒轰击过程中，以每分钟1转的旋转速度旋转所述滚筒。

最后，当所有薄膜加工完成后，关闭设备。

在通过实施例1、实施例2和实施例3的制备过程制备获得具有微纳米多孔结构的薄膜以后，分别对三个实施例制备获得的薄膜进行X-射线衍射、原子力显微镜测试，以检测所述薄膜的外表面结构。

经过检测后的结果显示：

1、在实施例1、实施例2和实施例3的薄膜中，薄膜从表面至基体内部依次形成了三个具有显著尺度差异的区域。其中，在最外侧的区域，为晶粒的平均粒径最细，均在100nm以下，而且晶粒的粒径分布呈现标准的正态分布，均一性良好，属于微纳米多孔结构。在最内侧为基材区域，该区域内的晶粒尺寸与基材的特征尺寸相当，属于基体部分。在最外侧区域和内侧的基体部分之间，还具有一个粒径具有逐渐变化的过渡区域。

2、实施例1和实施例2的薄膜的选区衍射花样显示，其微纳米多孔结构中，纳米晶粒的取向呈完全随机分布，分布连续并且符合自然形态分布的要求。而实施例3的薄膜的取向并不完全的服从随机分布，其分布不连续，与自然形态分布存在一定的差异。

这样的结果可能是由于在实施例3中没有在滚筒的内部空腔处设置磁性元件，导致滚筒在微粒轰击过程中，磁性微粒大量的集中在某几个点轰击，无法在整个滚筒的外表面均匀分布所导致。

本发明实施例还提供了一种微纳米多孔结构薄膜，所述薄膜上附着有微纳米多孔结构，所述微纳米多孔结构采用上述方法实施例生成到所述薄膜上。

本发明实施例还提供了上述微纳米多孔结构薄膜在机械工程、扬声器、医学、手术、航天器推进或分析仪器中的应用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。