本發(fā)明屬于材料表面改性領(lǐng)域，尤其涉及一種柔性可控的液滴自驅(qū)動(dòng)多級(jí)梯度結(jié)構(gòu)的表面制備方法。

背景技術(shù)：

潤(rùn)濕性是固體表面的重要性質(zhì)之一，它表征了液體在其表面上的浸潤(rùn)程度。固體表面的潤(rùn)濕性主要取決于表面自由能和表面微觀結(jié)構(gòu)，改變固體表面的自由能和粗糙度均可以改變其潤(rùn)濕性。而潤(rùn)濕性梯度表面是一種組分、結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性等隨空間連續(xù)變化或者階梯變化的高性能材料，在對(duì)液體的潤(rùn)濕性能發(fā)生梯度變化的材料表面上，液體的梯度方向受到的表面張力不相等，導(dǎo)致了液體存在由低表面能處向著高表面能處自動(dòng)流動(dòng)的趨勢(shì)。所謂潤(rùn)濕性可控表面，是指在外界環(huán)境的刺激下接觸角可以發(fā)生變化的材料表面。表面張力驅(qū)動(dòng)是微流體器件中流體驅(qū)動(dòng)的一種重要方式，其實(shí)現(xiàn)依賴于潤(rùn)濕性表面的可控性。目前調(diào)控固體表面潤(rùn)濕性的方法有很多，主要包括熱化學(xué)法、電潤(rùn)濕法、電化學(xué)法、光化學(xué)法、ph法等等。

柔性材料具有能夠隨外力而變形的特點(diǎn)。柔性多級(jí)結(jié)構(gòu)表面是以具有柔性特征的材料為基底，利用某種方法在基底表面上形成的多級(jí)結(jié)構(gòu)表面。其中，多級(jí)結(jié)構(gòu)是指兩種或兩種以上的結(jié)構(gòu)在尺寸上存在較大差距，較小量級(jí)的結(jié)構(gòu)在較大量級(jí)結(jié)構(gòu)上形成的一種三維空間結(jié)構(gòu)。在柔性多級(jí)結(jié)構(gòu)的表面再建立起梯度結(jié)構(gòu)，不僅使其繼承了前者的特征，還對(duì)表面進(jìn)行了修整，具有了不同表面區(qū)域之間性能產(chǎn)生了循序變化的特點(diǎn)。

但就目前而言，市場(chǎng)上沒(méi)有一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的方法在柔性基體上制造多級(jí)的梯度結(jié)構(gòu)，針對(duì)這種現(xiàn)狀，我們提出了一種柔性可控的液滴自驅(qū)動(dòng)多級(jí)梯度結(jié)構(gòu)表面的制備及其調(diào)控方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種柔性可控的液滴自驅(qū)動(dòng)多級(jí)梯度結(jié)構(gòu)的表面制備方法，針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中制備所存在的制備過(guò)程復(fù)雜、制作設(shè)備昂貴等缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，提供一種操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)環(huán)保制備方法，極大降低了調(diào)控液滴驅(qū)動(dòng)的成本。

為此采用如下的技術(shù)方案：一種柔性可控的液滴自驅(qū)動(dòng)多級(jí)梯度結(jié)構(gòu)的表面制備方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟（1）制備涂覆液：將聚二甲基硅氧烷的預(yù)聚物與交聯(lián)劑以質(zhì)量為10:1的比例混合攪拌均勻，之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的氣泡，制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液；

步驟（2）制備掩蓋板：取一片長(zhǎng)50mm、寬25mm、厚1mm的硅模板，利用三維繪圖軟件繪制出梯度結(jié)構(gòu)排布圖，所述梯度結(jié)構(gòu)排布圖是以直徑為10μm、深40μm的單元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板長(zhǎng)邊為準(zhǔn)，以第一個(gè)1mm的距離內(nèi)單元孔間距為10μm，在第二個(gè)1mm的距離內(nèi)單元孔間距增至20μm并以此類(lèi)推；然后以繪制的梯度結(jié)構(gòu)排布圖為參照，對(duì)硅模板進(jìn)行雕刻處理；選用的基底為玻璃基底，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)清洗，即將玻璃基底依次在丙酮、無(wú)水酒精、去離子水中超聲10~20min，超聲頻率為50~100hz，之后用水洗凈并進(jìn)行干燥處理；然后將處理好的硅模板緊密貼合在預(yù)清洗后的玻璃基底表面上；將步驟（1）制備的涂覆液通過(guò)旋涂的方式均勻覆蓋在硅模板表面，具體旋涂方式的旋涂次數(shù)為1次，先以每分鐘1500轉(zhuǎn)的速率旋涂5s，再以每分鐘8000轉(zhuǎn)的速率旋涂20s，最后以每分鐘1500轉(zhuǎn)的速率旋涂5s，之后將旋涂有涂覆液的硅模板以溫度為75℃干燥20min，從而在硅模板表面上形成涂覆液的薄膜；

步驟（3）制備具有柔性的多級(jí)梯度結(jié)構(gòu)表面：準(zhǔn)備厚度為1mm、寬為25mm的vhb膠帶，先將vhb膠帶拉伸，并維持50%的應(yīng)變量，然后將步驟（2）制得的掩蓋板旋涂有涂覆液薄膜的一面與拉伸后的vhb膠帶緊密貼合，在溫度為80℃的烘箱中處理2個(gè)小時(shí)；之后將玻璃基底與硅模板揭下，復(fù)制了硅模板梯度結(jié)構(gòu)的涂覆液薄膜便與vhb膠帶緊密貼合；最后釋放對(duì)vhb膠帶的拉力，緊貼在vhb膠帶表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收縮力在其表面上產(chǎn)生屈曲與梯度相結(jié)合的多級(jí)結(jié)構(gòu)；

步驟（4）對(duì)柔性表面的調(diào)控：對(duì)制得的柔性表面進(jìn)行一定應(yīng)變量的拉伸可以調(diào)控表面多級(jí)結(jié)構(gòu)的疏密排布，從而得到的屈曲褶皺幅度也會(huì)有相應(yīng)的變化；具體數(shù)值可以為50%、100%、200%，拉伸時(shí)材料表面多級(jí)結(jié)構(gòu)舒展開(kāi)，從而使得材料表面疏水性能增強(qiáng)；應(yīng)變量越大，拉伸幅度越大，褶皺與多級(jí)結(jié)構(gòu)越稀疏，材料表面越為疏水。

在柔性材料與屈曲結(jié)構(gòu)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，涂覆液浸入硅模板上的孔凝固后形成的圓柱狀結(jié)構(gòu)，其直徑為10μm，高為40μm。圓柱在模板上呈梯度排列，順著模板長(zhǎng)邊1mm的距離內(nèi)柱與柱的間距為10μm，而在下一個(gè)1mm的距離內(nèi)柱與柱的間距增至為20μm并以此類(lèi)推。用這種方法制備具有柔性的多級(jí)結(jié)構(gòu)梯度表面不僅制備方法簡(jiǎn)單高效，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴定向驅(qū)動(dòng)的可能。并且由于是以柔性的vhb膠帶為基底制備的多級(jí)結(jié)構(gòu)，還可以通過(guò)對(duì)基底的拉伸來(lái)實(shí)現(xiàn)多級(jí)結(jié)構(gòu)排列密度的變化，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液滴定向驅(qū)動(dòng)速度的控制。

步驟3）中所述的vhb膠帶預(yù)拉伸應(yīng)變量可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏?，具體數(shù)值可以為50%、100%、200%，從而得到的屈曲褶皺幅度也會(huì)有相應(yīng)的變化。應(yīng)變量越大，屈曲褶皺越密集，幅度越大，材料表面越為疏水。

本發(fā)明的有益效果是：

1）將屈曲結(jié)構(gòu)與柱狀結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以使材料表面的疏水性得到進(jìn)一步的提升。

2）通過(guò)對(duì)圓柱狀結(jié)構(gòu)排列密度的調(diào)整，從而使材料表面具有梯度結(jié)構(gòu)。這種梯度結(jié)構(gòu)會(huì)使得材料表面不同的區(qū)域具有不同的潤(rùn)濕性能，圓柱較密集的區(qū)域比圓柱較稀疏的區(qū)域更加的親水。

3）制備方法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。

4）可以通過(guò)對(duì)柔性基底的拉伸來(lái)改變梯度結(jié)構(gòu)的排布密度，改變材料表面的疏水性程度，使得液體在其表面的移動(dòng)速率發(fā)生改變，從而來(lái)調(diào)控液滴在其表面的移動(dòng)。

附圖說(shuō)明

圖1為具有柔性的多級(jí)結(jié)構(gòu)梯度表面的制備示意圖，圖中標(biāo)號(hào)為：1為vhb膠帶，2為涂覆液薄膜，3為硅模板，4為玻璃基底，5為屈曲與梯度相結(jié)合的多級(jí)結(jié)構(gòu)。

圖2為制得的材料表面圓柱狀結(jié)構(gòu)排列的電子掃描鏡圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

參照附圖。實(shí)施例1本實(shí)施例包括以下步驟：

步驟（1）制備涂覆液：5g聚二甲基硅氧烷（pdms）涂覆液的預(yù)聚物與0.5g交聯(lián)劑混合攪拌均勻，之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的氣泡，制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液；

步驟（2）制備掩蓋板：取一片長(zhǎng)50mm、寬25mm、厚1mm的硅模板3，利用三維繪圖軟件繪制出梯度結(jié)構(gòu)排布圖，所述梯度結(jié)構(gòu)排布圖是以直徑為10μm、深40μm的單元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板長(zhǎng)邊為準(zhǔn)，以第一個(gè)1mm的距離內(nèi)單元孔間距為10μm，在第二個(gè)1mm的距離內(nèi)單元孔間距增至20μm并以此類(lèi)推；然后以繪制的梯度結(jié)構(gòu)排布圖為參照，對(duì)硅模板進(jìn)行雕刻處理；選用的基底為玻璃基底4，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)清洗，即將玻璃基底依次在丙酮、無(wú)水酒精、去離子水中超聲10~20min，超聲頻率為50~100hz，之后用水洗凈并進(jìn)行干燥處理；然后將處理好的硅模板緊密貼合在預(yù)清洗后的玻璃基底表面上；將步驟（1）制備的涂覆液通過(guò)旋涂的方式均勻覆蓋在硅模板表面，具體旋涂方式的旋涂次數(shù)為1次，先以每分鐘1500轉(zhuǎn)的速率旋涂5s，再以每分鐘8000轉(zhuǎn)的速率旋涂20s，最后以每分鐘1500轉(zhuǎn)的速率旋涂5s，之后將旋涂有涂覆液的硅模板以溫度為75℃干燥20min，從而在硅模板3表面上形成涂覆液薄膜2；

步驟（3）制備具有柔性的多級(jí)梯度結(jié)構(gòu)表面：準(zhǔn)備厚度為1mm、寬為25mm的vhb膠帶1，先將vhb膠帶拉伸，并維持50%的應(yīng)變量，然后將步驟（2）制得的掩蓋板旋涂有涂覆液薄膜2的一面與拉伸后的vhb膠帶緊密貼合，在溫度為80℃的烘箱中處理2個(gè)小時(shí)；之后將玻璃基底與硅模板揭下，復(fù)制了硅模板梯度結(jié)構(gòu)的涂覆液薄膜便與vhb膠帶緊密貼合；最后釋放對(duì)vhb膠帶的拉力，緊貼在vhb膠帶表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收縮力在其表面上產(chǎn)生屈曲與梯度相結(jié)合的多級(jí)結(jié)構(gòu)5；

步驟（4）對(duì)柔性表面的調(diào)控：對(duì)制得的柔性表面進(jìn)行一定應(yīng)變量的拉伸可以調(diào)控表面多級(jí)結(jié)構(gòu)的疏密排布，從而得到的屈曲褶皺幅度也會(huì)有相應(yīng)的變化；具體數(shù)值可以為50%、100%、200%，拉伸時(shí)材料表面多級(jí)結(jié)構(gòu)舒展開(kāi)，從而使得材料表面疏水性能增強(qiáng)；應(yīng)變量越大，拉伸幅度越大，褶皺與多級(jí)結(jié)構(gòu)越稀疏，材料表面越為疏水。

本方法制備的具有柔性的多級(jí)結(jié)構(gòu)梯度表面，材料表面上具有屈曲結(jié)構(gòu)，且在屈曲結(jié)構(gòu)上覆有具有梯度的圓柱結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由于所使用的涂覆液為聚二甲基硅氧烷涂覆液，本身具有疏水性，液滴在其表面上呈球狀，且沿梯度方向接觸角逐漸減小，在不施加外力的情況下，液滴會(huì)向著圓柱梯度更加稀疏的方向移動(dòng)。

實(shí)施例2與實(shí)施例1的不同之處在于：實(shí)施例2的多級(jí)結(jié)構(gòu)包括一級(jí)屈曲基底和二級(jí)圓柱狀突起，所述的二級(jí)柱狀突起在屈曲結(jié)構(gòu)表面上呈現(xiàn)放射狀均勻分布，圓柱體高40μm、寬10μm，在模板上呈梯度排列。圓柱順著模板長(zhǎng)邊方向1mm的距離內(nèi)柱與柱的間距為10μm，而在下一個(gè)1mm的距離內(nèi)柱與柱的間距增至為20μm以此類(lèi)推，如圖2所示。這種多級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)可以改變不同相體的交界面、改變界面能、增加材料表面的疏水性，并且由于梯度結(jié)構(gòu)的存在，使材料表面不同區(qū)域之間存在疏水性差異。由于運(yùn)用的是柔性基底vhb膠帶4，可以通過(guò)對(duì)vhb膠帶進(jìn)行不同程度的拉伸從而控制其表面多級(jí)結(jié)構(gòu)的疏密排布，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料疏水性的調(diào)控。在制備過(guò)程中，對(duì)vhb的預(yù)拉伸應(yīng)變量越大，最后制得的表面多級(jí)結(jié)構(gòu)排布越密集，疏水性能越弱；對(duì)制備完成后所得到的柔性基地進(jìn)行拉伸，表面多級(jí)結(jié)構(gòu)的排布與之前相比變得更加稀疏，從而使其疏水性能增強(qiáng)。