一种基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法。通过疏液材料与超疏液材料相结合，利用不同材料的疏水性，形成具有能量壁垒的轨道束缚液滴。在制备导引轨道时采用覆盖法，对轨道的形状、宽度及角度可调节；轨道内的材料具有疏水性，可降低轨道的表面能，使液滴在运动时不会产生尾迹和小液滴。对待处理表面清洗并采用疏液材料通过涂覆的方式改变为疏液表面；覆盖样条粘贴在疏液材料表面，调节覆盖样条的形状制成控制路径。向疏液材料表面喷涂超疏液涂层，改变表面的润湿性；取下覆盖样条，形成具有润湿性差异的导引路径；在轨道上添加液滴，施加动力使液滴沿轨道运动；实现液滴或油滴在不同壁面的无质量损失导引。
【专利说明】
一种基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及液滴行为控制领域，具体地说，涉及一种疏液材料与超疏液材料相结合基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的定向导引方法。
【背景技术】
[0002]液滴的行为控制作为近几年新兴的研究热点，具有非常重要的工程价值。如在生物技术领域可用于药液物料输送，在航空航天领域可作为飞机防结冰的新思路。液滴行为的控制方式中包括利用改变介质材料的电润湿来控制液滴，通过电磁场控制磁流体，以及改变壁面的属性以实现控制液滴的目的。
[0003]现有的液滴控制方法多为使用电磁场来控制磁流体等特殊液滴的运动，以及通过改变电压来改变介质材料的电润湿性，以此控制液滴的运动。在发明专利CN 104345140 A中提出“一种磁性液滴控制装置及磁性液滴的控制方法”，该磁性液滴控制装置及磁性液滴的控制方法仅适用于磁流体，无法满足对一般液滴的控制需求;在专利CN 1588090 A中涉及“一种低压的基于表面张力的微液滴控制器件”，该微液滴控制器件主要针对于微流体的控制，且控制条件复杂;在发明专利CN 102824933 A中公开了“一种单项液滴输运的数字微流芯片电极配置”，配置扩展了介质电润湿数字微流芯片的使用功能及应用范围，仅适用于数字微流芯片。
[0004]现有技术中的专利给液滴的行为控制提供了很多非常有价值的方法，但仍存在以下不足:
[0005](I)控制条件复杂，需要添加特殊的外力场才可能实现导引；
[0006](2)所控制的液滴比较特殊，不具有一般性。
[0007](3)采用超亲水与超疏水相结合的方法，导致液滴出现较大的质量损失。
【发明内容】
[0008]本发明的思路:通过提出的疏液材料与超疏液材料相结合的导引方法，实现对液滴在无特殊设备要求下的无质量损失导引；在制备导引轨道时采用覆盖法，对轨道的形状、宽度及角度可进行调节;轨道内的材料具有疏水性，可降低轨道的表面能，使得液滴在运动时不会产生尾迹和小液滴。对待处理表面清洗并采用疏液材料通过涂覆的方式改变为疏液表面;覆盖样条粘贴在疏液材料表面，调节覆盖样条的形状制成控制路径;取下覆盖样条，形成具有润湿性差异的导引路径;在轨道上添加液滴，施加动力使液滴沿轨道运动;实现液滴或油滴在不同壁面的无质量损失导引。
[0009]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法，其特征在于包括以下步骤:
[0010]步骤1.采用无水乙醇对材料待处理表面进行清洗，并使待处理表面干燥;待处理表面为平面或者小曲率曲面；
[0011 ]步骤2.进行表面涂覆处理，将待处理表面使用疏液材料通过涂覆的方式改变为疏液表面，改变后表面的粗糙度应小于5nm;
[0012]步骤3.将控制路径的覆盖样条粘贴在疏液表面上，通过调节覆盖样条的形状制成所需路径;覆盖样条的宽度取值范围为0.2?2.0mm;
[0013]步骤4.向疏液表面喷涂超疏液涂层，以改变表面的润湿性;喷涂时需保证所喷涂区域的均匀度，喷涂的超疏液涂层厚度小于0.1mm；
[0014]步骤5.取下覆盖样条，形成具有润湿性差异的导引路径;静置，待超疏液涂层完全附着在基底表面后，取下覆盖样条；
[0015]步骤6.在轨道上添加液滴，施加驱动力并调节驱动力大小使液滴沿预定轨道匀速运动;液滴的驱动方式采用切向风作为动力，或重力，β角的取值范围为0°?72°。
[0016]有益效果
[0017]本发明提出的基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法，与现有技术相比，具有以下特点:
[0018](I)在制备导引轨道时采用覆盖法，实现调节轨道的形状、宽度以及角度。
[0019](2)轨道内部的材料具有疏水性，可降低轨道的表面能，从而使得液滴在运动时不会产生尾迹或者小液滴。
[0020](3)通过轨道内外的润湿性差异产生的能量壁皇来实现束缚和导引液滴。
[0021](4)基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法操作简便，适用范围广，可实现一般液滴或者油滴在不同壁面的无质量损失导引，有效地扩大液滴的可控种类。
[0022](5)基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法对液滴的驱动力采用流量可调的切向风力或者重力，扩大液滴的可导引场合。
【附图说明】
[0023]下面结合附图和实施方式对本发明一种基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法作进一步详细说明。
[0024]图1为液滴在壁面静态润湿性的示意图。
[0025]图2为折线型覆盖样条示意图。
[0026]图3为曲线型覆盖样条示意图。
[0027]图4为采用切向风作为驱动力来实现液滴导引的示意图。
[0028]图5为使用重力作为驱动力来实现液滴导引的示意图。
[0029]图6为切向风下液滴在直线轨道上运动的示意图。
[0030]图7为切向风下液滴在直线轨道上运动的俯视图。
[0031]图中:
[0032]1.液滴2.超疏液涂层3.疏液材料4.待处理表面5.覆盖样条6.轨道7.处理后表面
【具体实施方式】
[0033]本实施例是一种基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法。
[0034]本实施例所依据的原理:液体与固体的润湿程度通常以接触角Θ表征，它是固、液、气三相界面处表面张力平衡的结果。在理想的固体壁面上，液滴的接触角是由固气、固液和气液界面自由能决定，即γ5ι、Ysg与γgi，s表示为固体，I表示为液体，g表示为气体，三者之间的关系可由Young方程得到:
[0035]cos0 = ( ySg-Ysi)/γ8ι (I)
[0036]式中，Θ为固体壁面上的接触角，通过式(I)计算出液滴在固体壁面上的接触角。
[0037]通常，当Θ > 150°时称为超疏液壁面，当Θ >90°时称为疏液壁面，当Θ <90°时称为亲液壁面。液滴在不同表面上呈现不同接触角的原因是不同材料的表面能存在差异，这种差异造成了不同表面对液滴的束缚力不同。材料的表面能越高，对液滴的束缚力越强。轨道内部为疏液材料，与亲水材料相比，其表面能较低，所以对液滴的束缚力会比亲水材料的束缚力小，液滴在运动过程中不会留下尾迹;而轨道外部为超疏液材料，具有比疏水材料更低的表面能，所以在轨道边界上，因为表面能的差异而产生很高的能量壁皇，当外力作用下，液滴难以克服这种能量壁皇，液滴可完全被束缚在轨道内，实现输运效果。
[0038]参阅图1?图7，本实施例基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法，以切向风导引液滴，通过风速范围为2.08m/s?18.72m/s的风洞装置，实现该方法的导引效果；具体实施方法如下:
[0039](I)将25 X 75mm的待处理表面4使用无水乙醇清洗干净，并使待处理表面4充分干燥；
[0040](2)将调制好的PDMS粘液3均匀涂在干净的表面上，静置，待PDMS气泡完全排干净后，在70°的温度下加热30min?60min至其充分凝固，形成疏水表面；
[0041](3)将宽度为0.7mm的直线型覆盖样条5粘贴在疏液材料表面，调节覆盖样条的形状制成控制路径；
[0042](4)使用喷枪将超疏液涂层2均匀喷涂在疏水表面上，形成超疏水表面；
[0043](5)待超疏液涂层完全干燥后，取下覆盖样条5，形成一个内部疏水外部超疏水的具有润湿阶跃的轨道6制作完成。
[0044](6)将处理后表面7制备完成的轨道6放置在风洞内，并在轨道6上添加体积为30yL的液滴I，施加动力使液滴I沿轨道6运动。
[0045](7)调节电压，以电压的调节范围为O?250V来调节风速;将电压快速调节至启动电压以后，再缓慢地调节电压，直到液滴I开始在轨道6上匀速运动;实现液滴在不同壁面的无质量损失导引。
[0046]本实施例中，利用不同材料的疏水性，将疏水和超疏水材料相结合，形成具有能量壁皇的轨道，从而有效地束缚液滴；
[0047](I)体积为30yL的液滴可沿着直线轨道作匀速运动的启动风速为4.82m/s;
[0048](2)当风速调节得过大时，液滴则会脱轨，液滴的脱轨风速为7.98m/s;
[0049](3)轨道与风向之间的夹角α可根据需要进行调节，α的取值范围为0°?83°;
[0050](4)本实施例中实验用的覆盖样条可根据需要改变形状；
[0051](5)液滴的驱动方式除了采用切向风作为驱动力，也可是重力，β角的取值范围为
O。?72。。
【主权项】
1.一种基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法，其特征在于包括以下步骤:步骤1.采用无水乙醇对材料待处理表面进行清洗，并使待处理表面干燥；待处理表面为平面或者小曲率曲面； 步骤2.进行表面涂覆处理，将待处理表面使用疏液材料通过涂覆的方式改变为疏液表面，改变后表面的粗糙度应小于5nm; 步骤3.将控制路径的覆盖样条粘贴在疏液表面上，通过调节覆盖样条的形状制成所需路径;覆盖样条的宽度取值范围为0.2?2.0mm; 步骤4.向疏液表面喷涂超疏液涂层，以改变表面的润湿性;喷涂时需保证所喷涂区域的均匀度，喷涂的超疏液涂层厚度小于0.1mm； 步骤5.取下覆盖样条，形成具有润湿性差异的导引路径;静置，待超疏液涂层完全附着在基底表面后，取下覆盖样条； 步骤6.在轨道上添加液滴，施加驱动力并调节驱动力大小使液滴沿预定轨道匀速运动;液滴的驱动方式采用切向风作为动力，或重力，β角的取值范围为0°?72°。
【文档编号】G01N35/10GK106053869SQ201610537052
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】胡海豹, 余思潇, 宋东, 文俊, 王德政, 鲍路瑶, 张庆辉, 杜鹏
【申请人】西北工业大学