專利名稱：一種超疏水表面潤(rùn)濕性的調(diào)控裝置及調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料表面潤(rùn)濕性技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及可以對(duì)材料表面潤(rùn)濕性進(jìn)行調(diào)控的裝置和方法。
背景技術(shù)：
潤(rùn)濕是日常生產(chǎn)和生活中常見 的現(xiàn)象，潤(rùn)濕性是固體表面的重要特性之一。超疏水表面在國(guó)防、エ農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪芯哂袕V泛的應(yīng)用前景，引起了人們的極大關(guān)注。超疏水表面已經(jīng)被用于天線、門窗防積雪，船、潛艇等外殼減小阻力，石油輸送管道內(nèi)壁、微量注射器針尖防止粘附堵塞，減少損耗，紡織品、皮革制品防水防污等。所謂潤(rùn)濕性可控的表面，就是在外界環(huán)境的刺激下材料表面的接觸角可以發(fā)生可逆變化的表面。通過適當(dāng)改變外界環(huán)境條件，可以實(shí)現(xiàn)表面潤(rùn)濕性在疏水與親水之間，甚至在超疏水與超親水之間轉(zhuǎn)化。目前主要通過兩種途徑實(shí)現(xiàn)表面潤(rùn)濕性的調(diào)控ー種是表面微結(jié)構(gòu)的調(diào)控，即依靠外界環(huán)境的刺激作用使固體表面的形貌發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變，從而使液滴在材料表面的狀態(tài)發(fā)生響應(yīng)和變化。其不足是由于當(dāng)前技術(shù)手段的限制，表面微結(jié)構(gòu)的調(diào)控難以實(shí)現(xiàn)在線控制，目前用該法調(diào)控材料表面潤(rùn)濕性的研究并不多。另ー種是表面自由能調(diào)控，即在保持材料表面形貌的條件下，利用外界環(huán)境的刺激作用定向改變材料表面化學(xué)組成，從而改變表面自由能，使液滴在表面的接觸角相應(yīng)地發(fā)生變化。通過表面自由能調(diào)控可以快速、有效地實(shí)現(xiàn)材料表面潤(rùn)濕性的在線操控。其不足是實(shí)現(xiàn)反復(fù)調(diào)控比較復(fù)雜，不適用于微流體系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)ー種操作方便，且適用于微流體系統(tǒng)的超疏水表面潤(rùn)濕性調(diào)控裝置與方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下ー種超疏水表面潤(rùn)濕性調(diào)控裝置，包括微量氣體泵、管系、微量氣壓表、水槽、微量液壓表、微量液體泵和超疏水表面，其特征在于在所述超疏水表面設(shè)有ー個(gè)液體容腔，液體容腔ー側(cè)設(shè)ー個(gè)氣體容腔，氣體容腔通過微通道與液體容腔相連通，所述液體容腔設(shè)有液體入口和液體出ロ，液體入口和液體出口分別設(shè)在液體容腔相對(duì)的兩面上，液體入口依次與液壓表和微量液體泵出口通過管系連接，液體出ロ通過管系與水槽相連，微量液體泵入口通過管系與水槽相連；所述氣體容腔設(shè)有氣體入ロ，氣體入ロ依次與氣壓表和微量氣體泵的出ロ通過管系連接，微量氣體泵的入ロ與大氣相通。本發(fā)明所述ー種超疏水表面潤(rùn)濕性調(diào)控裝置的調(diào)控方法，其特征在于所述調(diào)控方法包括以下步驟a同時(shí)接通微量液體泵和微量氣體泵，向液體容腔供液體，向氣體容腔供氣體。b調(diào)整微量氣體泵的供氣量，控制氣體容腔的壓力，當(dāng)氣體容腔壓カ控制在等于或小于液體容腔的壓カ時(shí)，液體和超疏水表面全接觸，此時(shí)為文策爾(wenzel)模型，當(dāng)氣體壓カ控制在大于液體容腔內(nèi)壓カ時(shí)，氣體托起液體容腔內(nèi)的液體，液體與超疏水表面接觸面縮小，在一定范圍內(nèi)，氣體壓カ越大，接觸面越小，氣液固三相的接觸角越大，接觸面相應(yīng)變化，成為卡西(cassie)模型,通過控制氣體容腔的壓カ實(shí)現(xiàn)文策爾(wenzel)模型與卡西(cassie)模型之間的互相轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)超疏水表面潤(rùn)濕性的可逆調(diào)控。本發(fā)明所述ー種超疏水表面潤(rùn)濕性調(diào)控裝置的調(diào)控方法，其特征在于所述液體容腔壓カ為O. 3^0. 5Mpa，氣體容腔的壓カ為O. Γθ. 7Mpa。本發(fā)明主要是利用力學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)了超疏水表面潤(rùn)濕性的可逆調(diào)控，通過改變氣體容腔的壓カ從而控制氣液固三相的接觸方式，實(shí)現(xiàn)表面潤(rùn)濕性的改變。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
I.采用的是基于力學(xué)的方法，在表面潤(rùn)濕性調(diào)控方面用的較少。2.易于實(shí)現(xiàn)，重復(fù)性好。3.適用于微流體系統(tǒng)。


本發(fā)明共有附圖3張，其中圖I是超疏水表面潤(rùn)濕性調(diào)控裝置實(shí)施例示意圖。圖2是實(shí)施例超疏水表面上的氣體容腔和液體容腔結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2的俯視示意圖。圖中I.微量氣體泵，2.管系,3.微量氣壓表，4.試驗(yàn)芯片,5.水槽,6.微量液壓表，7.微量液體泵，8.液體容腔，9.超疏水表面，10.液體入口，11.液體出口，12.微通道.，13.氣體入口，14.氣體容腔，15.構(gòu)筑了微結(jié)構(gòu)的娃片、16.聚ニ甲基娃氧燒結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)ー步地描述。超疏水表面潤(rùn)濕性調(diào)控裝置包括微量氣體泵I、管系2、微量氣壓表3、水槽5、微量液壓表6、微量液體泵7和超疏水表面9，超疏水表面9上設(shè)有ー個(gè)液體容腔8，液體容腔8ー側(cè)設(shè)ー個(gè)氣體容腔14，氣體容腔14通過微通道12與液體容腔8相連通，液體容腔8設(shè)有液體入口 10和液體出口 11，液體入口 10和液體出口 11分別設(shè)在液體容腔8相對(duì)的兩面上，液體入ロ 10依次與微量液壓表6和微量液體泵7出ロ通過管系連接，液體出ロ 11通過管系與水槽5相連，微量液體泵7入口通過管系與水槽5相連；氣體容腔14設(shè)有氣體入ロ 13，氣體入口 13依次與微量氣壓表3和微量氣體泵I的出ロ通過管系連接，微量氣體泵I的入口與大氣相通。調(diào)控方法包括以下步驟a同時(shí)接通微量液體泵7和微量氣體泵I，向液體容腔8供液體，向氣體容腔14供氣體。b調(diào)整微量氣體泵I的供氣量，控制氣體容腔14的壓力，當(dāng)氣體容腔14壓カ控制在等于或小于液體容腔8的壓カ時(shí)，液體和超疏水表面9全接觸，此時(shí)為文策爾(wenzel)模型，當(dāng)氣體壓カ控制在大于液體容腔8內(nèi)壓カ時(shí)，氣體托起液體容腔內(nèi)的液體，液體與超疏水表面9接觸面縮小,在一定范圍內(nèi)，氣體壓カ越大,接觸面越小,氣液固三相的接觸角越大，接觸面相應(yīng)變化，成為卡西(cassie)模型，通過控制氣體容腔14的壓カ實(shí)現(xiàn)文策爾(wenzel)模型與卡西(cassie)模型之間的互相轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)超疏水表面潤(rùn)濕性的可逆調(diào)控。液體容腔8壓カ為O. 3^0. 5Mpa，氣體容腔14的壓カ為O. Γθ. 7Mpa。實(shí)施例是對(duì)試驗(yàn)芯片4的超疏水表面潤(rùn)濕性的調(diào)控，裝置包括微量氣體泵I、管系2、微量氣壓表3、試驗(yàn)芯片4、水槽5、微量液壓表6、微量液體泵7、液體容腔8、超疏水表面9、液體入ロ 10、液體出口11、微通道12、氣體入口 13、氣體容腔14。試驗(yàn)芯片4是由構(gòu)筑了微結(jié)構(gòu)的硅片15和聚ニ甲基娃氧燒(polydimethylsiloxane,PDMS)結(jié)構(gòu)16鍵合而成,液體容腔8在構(gòu)筑了微結(jié)構(gòu)的硅片的超疏水表面9上。試驗(yàn)芯片4氣體容腔14在液體容腔8的ー側(cè)，且二者通過微通道12相互連通，氣體容腔14只有一個(gè)氣體入口 13，氣體入口 13通過管系2依次連接微量氣壓表3和微量氣體泵I，通過控制外部氣體的壓カ來控制氣體容腔14內(nèi)的壓カ；液體容腔8有液體入ロ 10和液體出ロ 11，液體入ロ 10通過管系依次連接微量液壓表6和微量液體泵7，液體壓カ可以由微量液壓表6測(cè)出，液體出 ロ 11與水槽5相連。調(diào)控方法包括以下步驟a同時(shí)接通微量液體泵7和微量氣體泵1，向試驗(yàn)芯片4液體容腔8供液體，向氣體容腔14供氣體。b調(diào)整微量氣體泵I的供氣量，控制氣體容腔14的壓力，當(dāng)氣體容腔14壓カ控制在等于或小于液體容腔8的壓カ時(shí)，液體和超疏水表面9全接觸，此時(shí)為文策爾(wenzel)模型，當(dāng)氣體壓カ控制在大于液體容腔8內(nèi)壓カ時(shí)，氣體托起液體容腔內(nèi)的液體，液體與超疏水表面9接觸面縮小，在液體容腔8壓カ為O. 3^0. 5Mpa，氣體容腔14的壓カ為O. Γθ. 7Mpa范圍內(nèi)，氣體壓カ越大，接觸面越小，氣液固三相的接觸角越大，接觸面相應(yīng)變化，成為卡西(cassie)模型,通過控制氣體容腔14的壓カ實(shí)現(xiàn)文策爾(wenzel)模型與卡西(cassie)模型之間的互相轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)超疏水表面潤(rùn)濕性的可逆調(diào)控。
權(quán)利要求
1.ー種超疏水表面潤(rùn)濕性調(diào)控裝置，包括微量氣體泵(I)、管系(2)、微量氣壓表(3)、水槽(5 )、微量液壓表(6 )、微量液體泵(7 )和超疏水表面(9 )，其特征在于在所述超疏水表面(9 )上設(shè)有ー個(gè)液體容腔(8 )，液體容腔(8 ) ー側(cè)設(shè)ー個(gè)氣體容腔(14 )，氣體容腔(14 )通過微通道(12)與液體容腔(8)相連通，所述液體容腔(8)設(shè)有液體入口(10)和液體出ロ(11)，液體入ロ( 10)和液體出ロ( 11)分別設(shè)在液體容腔相對(duì)的兩面上，液體入ロ( 10)依次與微量液壓表(6)和微量液體泵(7)出ロ通過管系連接，液體出ロ(11)通過管系與水槽(5)相連，微量液體泵(7)入口通過管系與水槽(5)相連；所述氣體容腔(14)設(shè)有氣體入ロ(13 )，氣體入口( 13 )依次與微量氣壓表(3 )和微量氣體泵(I)的出口通過管系連接，微量氣體泵(I)的入口與大氣相通。
2.權(quán)利要求I所述ー種超疏水表面潤(rùn)濕性調(diào)控裝置的調(diào)控方法，其特征在于所述調(diào)控方法包括以下步驟 a同時(shí)接通微量液體泵(7)和微量氣體泵(1)，向液體容腔(8)供液體，向氣體容腔(14)供氣體； b調(diào)整微量氣體泵(I)的供氣量，控制氣體容腔的壓カ，當(dāng)氣體容腔(14)壓カ控制在等于或小于液體容腔(8)的壓カ時(shí)，液體和超疏水表面(9)全接觸，此時(shí)為文策爾(wenzel)模型，當(dāng)氣體壓カ控制在大于液體容腔內(nèi)壓カ時(shí)，氣體托起液體容腔內(nèi)的液體，液體與超疏水表面(9)接觸面縮小,氣體壓カ越大,接觸面越小,氣液固三相的接觸角越大,接觸面相應(yīng)變化，成為卡西(cassie)模型,通過控制氣體容腔(14)的壓カ實(shí)現(xiàn)文策爾(wenzel)模型與卡西(cassie)模型之間的互相轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)超疏水表面(9)潤(rùn)濕性的可逆調(diào)控。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述ー種超疏水表面潤(rùn)濕性調(diào)控裝置的調(diào)控方法，其特征在于所述液體容腔(8)壓カ為O. 3^0. 5Mpa，氣體容腔(14)的壓カ為O. Γθ. 7Mpa。
全文摘要
一種超疏水表面潤(rùn)濕性調(diào)控裝置，包括微量氣體泵、管系、微量氣壓表、水槽、微量液壓表、微量液體泵和超疏水表面，超疏水表面設(shè)有一個(gè)液體容腔和一個(gè)氣體容腔，兩容腔之間通過微通道連通，液體容腔設(shè)有液體入口和液體出口，兩出口分別設(shè)在液體容腔相對(duì)的兩面上，液體入口依次與液壓表和微量液體泵連接，液體出口與水槽相連，微量液體泵入口與水槽相連；氣體容腔設(shè)有氣體入口，氣體入口與氣壓表和微量氣體泵連接，微量氣體泵的入口與大氣相通。通過改變氣體容腔的壓力從而控制液體容腔內(nèi)氣液固三相的接觸方式，實(shí)現(xiàn)超疏水表面潤(rùn)濕性的改變。本發(fā)明的有益效果是是基于力學(xué)的方法，易于實(shí)現(xiàn)，重復(fù)性好，適用于微流體系統(tǒng)。
文檔編號(hào)C04B41/45GK102690128SQ20121017884
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者張會(huì)臣, 李小磊 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)