一种疏水表面微结构以及制备方法与流程

本发明涉及一种材料表面微结构特别涉及一种疏水表面微结构以及制备方法，属于微细加工提升工件疏水性的技术领域。

背景技术：

疏水表面因具有自清洁、减阻和抗磨等性能，在液体输送、建筑、船舶、服装等领域有非常广阔的应用前景，疏水表面的规模化工业应用，将会给人们生产生活带来很大便利，为人类发展创造极大动力。例如，人们生活中做饭最常用的平底锅，每每做饭后，食用油都会遗留部分在锅内。这对清洗造成了很大的困难，迫使人们使用洗洁精清洗。而，洗洁精含有很多表面活性剂，这些物质进入身体以后，会干扰体内的正常代谢，平时经常接触洗洁精的人，大肠癌的发生率很高；有些商家为了保证洗洁精不容易变质，也会添加甲醛作为防腐剂，虽然吃下少量甲醛不会造成急性中毒，但是长期使用就会出现严重腹痛，呕吐和昏迷等症状。若将疏水表面应用于锅底，利用其疏油性即可解决这一隐患，使人们可以轻松的除去锅底表面油污。

研究表明微米结构，纳米结构组成的多阶结构和低表面能材料共同作用能使得材料表面有疏水性。而已有制作疏水表面的方法包括化学法、特种加工法，都存在较大局限。化学方法虽然具有效率高、易实现、能够得到纳米尺度的微架构表面，并且可以实现大规模生产的优点，但是其表面形状难以控制，表面排列难以预测，难以实现微结构设计；而特种加工方法则存在加工材料只能是金属，加工设备昂贵，加工精度受限等缺陷。且这两种加工方法都可能存在有害的化学元素的遗留，若应用于平底锅底或与人们生活密切相关的产品，将会对人体造成潜移默化的危害。

技术实现要素：

本发明主要目的在于提供一种疏水表面微结构、其制备方法及应用以弥补现有疏水表面的不足，更好提升材料表面疏水性。

本发明为达到以上目的，本发明设计了一种斜壁阵列型表面微结构，包括一个基体，在所述的基体上设有多个沿基体纵向以及横向依次排列的凸台，所述的凸台的横截面为从下到上面积逐渐减小的正方形，其纵截面为等腰梯形；且相邻凸台之间有一定的间距。

进一步的，所述凸台的斜壁角度为60°～75°。

如图3所示，所述的凸台的高度为100μm。

进一步的，所述凸台的间距为100μm。

进一步的，所述凸台的宽度最大处为75～150μm。

进一步的，凸台的斜壁阵列的接触角(气、液、固三相交点处所作气-液界面切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角，是疏水性的衡量指标)随着微结构间距增加而增大，随着微结构凸台(方柱)宽度增大而减小；而斜壁的存在使得尺寸对接触角影响大大减小。

所述的疏水表面微结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.1，清洗被加工物体表面，将被加工物体分别放在丙酮和乙醇中超声清洗一段时间；

步骤1.2，利用微铣削工艺加工出斜壁阵列微结构；

采用五轴联动高速微细加工中心，设置主轴转速n＝20000rpm，进给速度f＝60mm/min，轴向切削深度为ap＝0.05mm，径向切削深度为刀具直径；通过横、纵两个方向走刀加工实现，即用30°刀尖角度v型雕刻铣刀和60°刀尖角度v型雕刻铣刀分别横向以及纵向铣削，即可得到所述的疏水表面微结构；

步骤1.3，打磨被加工物体表面，

所用金相砂纸数目为800～1200目，之后将被加工工件将工件放入酒精中，在室温下用超声波清洗仪超声清洗试样一段时间；最后，用去离子水冲洗试样表面，在室温条件下自然风干。

为了保证加工精度，采用1把型号为2360-p，刀尖角度为60°，刀尖宽度为0.02mm的v型雕刻铣刀和1把型号为2330-p，刀尖角度为30°，刀尖宽度为0.02mm的v型雕刻铣刀。

本发明有益效果是：

利用微切削技术的优势加工设计出斜壁阵列型微结构用作疏水表面，弥补了现有化学方法制作的疏水表面形状难以控制，表面排列难以预测，难以实现微结构设计，有化学元素残留等缺陷。以及特种加工方法加工疏水表面材料只能是金属，加工设备昂贵，加工精度受限等不足。且制备方法简单，成本低廉，疏水效果显著，可广泛应用于与人类生活密切相关的产品。

利用本发明设计出的斜壁阵列型疏水表面能精确控制复杂形状表面微结构，其中斜壁结构的存在比其他结构会增加水滴在微结构表面的接触角，并减小微结构尺寸参数对接触角的影响，对提升材料表面疏水性有非常显著的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1、图2是斜壁阵列微结构示意图；

图3是疏水表面微观示意图；

图4、图5是接触角的观测示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，已有制作疏水表面的方法包括化学法、特种加工法，都存在较大局限。化学方法虽然具有效率高、易实现、能够得到纳米尺度的微架构表面，并且可以实现大规模生产的优点，但是其表面形状难以控制，表面排列难以预测，难以实现微结构设计；而特种加工方法则存在加工材料只能是金属，加工设备昂贵，加工精度受限等缺陷。且这两种加工方法都可能存在有害的化学元素的遗留，若应用于平底锅底或与人们生活密切相关的产品，将会对人体造成潜移默化的危害，随着微加工机理的研究，车削，铣削加工精度的提高，铣削刀具尺寸的逐渐缩小，用微切削方法加工出微米尺寸微结构提升其疏水性成为可能。利用微切削技术加工出的疏水表面具有加工精度高，并能精确控制复杂形状表面微结构形状，加工出的产品绿色无公害等优点。

利用微切削加工技术设计加工出的斜壁沟槽微结构具有加工精度高，试用材料广，能精确控制复杂形状表面微结构形状，加工出的产品绿色无公害等优点。弥补了现有疏水表面的不足。而基于微切削加工技术设计出的斜壁沟槽微结构经实验研究证明，能够大幅提升是气、液、固三相交点处所作气—液界面切线穿过液体与固—液交界线之间的夹角进而提升材料表面疏水性。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明设计了一种斜壁阵列型表面微结构，包括一个基体，在所述的基体上设有多个沿基体纵向以及横向依次排列的凸台，所述的凸台的横截面为从下到上面积逐渐减小的正方形，其纵截面为等腰梯形；且相邻凸台之间有一定的间距。

如图2所示，凸台的斜壁角度γ为60°～75°；这里所述的斜壁角度是指凸台的斜壁与底部的夹角；由于凸台的横截面为从下到上面积逐渐减小的正方形，因此其侧壁与底部形成了一个夹角，该夹角为斜壁角度；其中斜壁结构的存在比其他结构会增加水滴在微结构表面的接触角，并减小微结构尺寸参数对接触角的影响，对提升材料表面疏水性有非常显著的效果。

如图2所示，凸台的高度h为100μm。

如图1所示，凸台的间距b(这里所述的间距是指相邻凸台之间所形成的间隙距离，具体如图所示)为100μm。

如图1所示，凸台的底部宽度为75～150μm。

如图3所示，上述凸台的斜壁阵列的接触角(气、液、固三相交点处所作气-液界面切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角，是疏水性的衡量指标)随着微结构间距增加而增大，随着微结构凸台(方柱)宽度增大而减小；而斜壁的存在使得尺寸对接触角影响大大减小。

本发明所用微铣削加工技术在微细加工中心上即可完成。

下面结合实验实例对本发明进一步说明。

1.实验准备

(1)选材：选用材料为加工材料为pmma(亚克力)。pmma具有较好的机械性能，在常温下，硬度较高，有较大的抗拉、抗压、抗弯曲和抗冲击强度，此外还有较好的耐磨性能。pmma还具有很好的成型工艺，可以很方便的通过注塑、热成型等方法加工出各种形状。此外，pmma还有很好的二次加工性能，因此可以通过微铣削保证其准确的加工精度，从而减少加工误差或表面缺陷等因素对接触角造成的影响。

(2)实验仪器：微结构加工实验是在kern-2522五轴联动高速微细加工中心上完成的。该加工中心的最高转速为50000rpm，工件加工精度为±2.5μm，配备有激光对刀仪，采用的数控系统为heidenhainitnc530。

2.设计加工斜壁阵列表面微结构，研究方柱(凸台)宽度、间距、斜壁角度等因素对接触角的影响。微结构尺寸是根据刀具尺寸、机床加工精度、预期理论研究尺寸确定，微结构尺寸参数如下：

斜壁阵列微结构尺寸参数：

斜壁阵列微结构试样共设计8组。凸台底部宽度为75μm、100μm、125μm、150μm，间距为100μm，斜壁角度分别为60°和75°。

3.加工斜壁阵列。

斜壁阵列微结构通过横、纵两个方向走刀加工实现，设置微结构加工的主要切削参数为：主轴转速n＝20000rpm，进给速度f＝60mm/min，轴向切削深度以ap＝0.05mm，径向切削深度为刀具直径。用30°刀尖角度v型雕刻铣刀和60°刀尖角度v型雕刻铣刀横向纵向铣削，即可得到设计的结构。为了保证加工精度，用1把刀尖角度为60°的v型雕刻铣刀和1把刀尖角度为30°的v型雕刻铣刀加工出设计的试样。如附图1。

4.pmma试样在加工过程中会产生大量毛刺，加工完成后，需对试样表面进行去毛刺处理，以消除毛刺对接触角的影响。首先，用直径为0.05mm的超细毛刷轻刷工件表面，去除大多数毛刺。然后，将工件放入酒精中，在室温下用kx-1620tr超声波清洗仪超声清洗试样30分钟。最后，用去离子水冲洗试样表面，室温条件下自然风干。

5.利用接触角测量仪测量不同参数下斜壁阵列微结构表面的接触角，分析后得出结论：方柱阵列微结构可以使水滴在其表面的接触角增大，接触角随着微结构间距增加而增大，随着凸台(方柱)宽度增大而减小。斜壁结构的存在会增加水滴在微结构表面的接触角，此外，斜壁的存在使得微结构尺寸参数对接触角影响减小。

上述方法还可以用于制备其他结构的疏水结构。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。