一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵及其制備方法和用途
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵及其制備方法和用途，屬于功能材料及流體控制【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明通過(guò)超疏水大孔網(wǎng)材單面定點(diǎn)粘附到高分子管材末端，管材內(nèi)部中填充親水材料層，成功實(shí)現(xiàn)了液滴的收集與反重力運(yùn)輸。在使用本發(fā)明自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵進(jìn)行液滴反重力傳輸時(shí)，可利用超疏水基底盛放小液滴后直接拾取，也可以利用疏水性針頭將小液滴連續(xù)不斷的運(yùn)輸?shù)匠杷玫南卤砻?，使其向上匯聚、提升液面，實(shí)現(xiàn)了高效、快速、安全的液滴傳輸。
【專利說(shuō)明】一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵及其制備方法和用途

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能材料及流體控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及用于微液滴收集以及微流控器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是指一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵及其制備方法和用途。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著界面科學(xué)的發(fā)展，設(shè)計(jì)合成多功能集成的微流控器件是目前材料領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。其中對(duì)于液滴的收集、操縱以及驅(qū)動(dòng)等問(wèn)題直接關(guān)系到微流控器件的發(fā)展與應(yīng)用，有著巨大的科研以及應(yīng)用的前景。通常利用機(jī)械泵等外加推進(jìn)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微流控器件中液體流動(dòng)方向及高度的調(diào)控，但是這些方法都需要電場(chǎng)等外加能量來(lái)源，并且制備工作復(fù)雜，從而限制了此類器件的發(fā)展。
[0003]通過(guò)學(xué)習(xí)自然界中液體的反重力傳輸現(xiàn)象，利用超疏水材料可以最大程度保存液滴的自身表面能，當(dāng)液滴與大表面積的液面相合并之時(shí)，可以較大程度的釋放出其自身的表面能，并且推動(dòng)水的反重力運(yùn)輸以及液流前進(jìn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一目的在于提供用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水“泵”。
[0005]本發(fā)明的再一目的在于提供用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水“泵”的制備方法。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴超疏水“泵”的用途。
[0007]本發(fā)明受超疏水表面液滴合并后的彈跳現(xiàn)象啟發(fā)，利用小液滴與液膜之間融合所釋放的表面能作為驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了液體的反重力運(yùn)輸。通過(guò)超疏水大孔網(wǎng)狀材料單面定點(diǎn)粘附到高分子管材末端，其管材內(nèi)部中填充親水材料層，成功實(shí)現(xiàn)了液滴的收集與反重力運(yùn)輸。即本發(fā)明的用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴超疏水“泵”。
[0008]本發(fā)明的用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水“泵”，是通過(guò)超疏水大孔網(wǎng)材與高分子管材整合構(gòu)建的。
[0009]所述的用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水“泵”對(duì)水滴的接觸角在150°以上。
[0010]所述的超疏水大孔網(wǎng)材的最大孔徑在200?500微米。優(yōu)選孔徑在250?500微米。
[0011]所述的高分子管材的內(nèi)徑大于4毫米，優(yōu)選內(nèi)徑為8毫米的管材。
[0012]所述的高分子管材內(nèi)的親水材料可以為纖維素膜或是水層，優(yōu)選3?5_左右厚的水層作為內(nèi)部親水層。
[0013]利用固體粘結(jié)劑將超疏水大孔網(wǎng)材與高分子管材相粘結(jié)，固體粘合劑優(yōu)選纖維素基的聚丙烯酯類粘結(jié)劑。
[0014]本發(fā)明一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水“泵”，基于超浸潤(rùn)網(wǎng)狀材料的仿生構(gòu)筑，搭建多功能超浸潤(rùn)液體“泵”。通過(guò)研究網(wǎng)狀材料的浸潤(rùn)性、孔徑、粘附力等參數(shù)對(duì)液體“泵”反重力輸運(yùn)性能的影響。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，獲得最優(yōu)化的液體反重力傳輸器件?；诔?rùn)智能網(wǎng)狀材料，構(gòu)建多功能、智能響應(yīng)性的反重力液滴“泵”運(yùn)輸體系，并深入考察了響應(yīng)時(shí)間、外場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)液體“泵”的影響及其穩(wěn)定性。探索該材料體系在微流控、液體收集等領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0015]在使用本發(fā)明自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水“泵”進(jìn)行液滴反重力傳輸時(shí)，可利用超疏水基底盛放小液滴后直接拾取，也可以利用疏水性針頭將小液滴連續(xù)不斷的運(yùn)輸?shù)匠杷玫南卤砻?，使其向上匯聚、提升液面。由于下表面小液滴完全受液面的拉普拉斯壓的推動(dòng)，上方液膜可以順利的吸收下方小液滴，并且推動(dòng)自身上升。通過(guò)對(duì)超疏水泵測(cè)試得到，利用直徑為1.5毫米的液滴可以將上方同直徑的液柱垂直抬升14毫米。進(jìn)一步利用此超疏水泵可以對(duì)微流控器件連續(xù)提供水流及動(dòng)力。
[0016]合理構(gòu)筑固-液界面特性，利用液滴表面能的釋放來(lái)實(shí)現(xiàn)反重力下液滴的自驅(qū)動(dòng)輸運(yùn)，本發(fā)明制備出系列多功能超浸潤(rùn)液體“泵”，進(jìn)而拓展超浸潤(rùn)材料的研究范圍，為微流控系統(tǒng)、油水分離等研究方向提供新的思路與應(yīng)用。
[0017]本發(fā)明的用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水“泵”制備成本低廉，原料易得，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可用于大規(guī)模制備，并且有很強(qiáng)的整合能力，可以與多種微流控及液體操控體系相整合。本發(fā)明對(duì)于液體傳輸和提升的作用明顯，可以實(shí)現(xiàn)在無(wú)外力情況下的反重力液體傳輸，從一個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了“水往高處走”，實(shí)現(xiàn)了高效、快速、安全的液滴傳輸。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1a.本發(fā)明實(shí)施例1制備的用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水“泵”以及其所使用的超疏水大孔網(wǎng)材的照片。
[0019]圖1b.本發(fā)明實(shí)施例1制備的用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水“泵”所使用的超疏水大孔網(wǎng)材的掃描電鏡照片(圖中標(biāo)尺為50微米)。
[0020]圖2.本發(fā)明中的用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水“泵”的裝置示意圖。
[0021]圖3.本發(fā)明實(shí)施例1中用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的實(shí)際過(guò)程照片。
[0022]圖4.本發(fā)明實(shí)施例2中用于連續(xù)自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的實(shí)際過(guò)程照片。
[0023]圖中:
[0024]1.高分子管材；2.超疏水大孔網(wǎng)材；3.粘結(jié)劑；4.親水材料層；5.液滴。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]本發(fā)明提供了一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵，如圖2所示，所述的超疏水泵包括超疏水大孔網(wǎng)材2和高分子管材I，所述的超疏水大孔網(wǎng)材2通過(guò)粘結(jié)劑3固定在高分子管材I的一端，并在所述高分子管材I內(nèi)部、超疏水大孔網(wǎng)材2上表面填充親水材料層4，形成超疏水泵。將所述高分子管材I豎直放置，超疏水大孔網(wǎng)材2在下方，與所述超疏水大孔網(wǎng)材2下表面接觸的液滴5會(huì)在拉普拉斯壓的推動(dòng)作用下向上(即向高分子管材I內(nèi)部)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)反重力運(yùn)輸微小液滴。
[0027]所述高分子管材I的內(nèi)徑大于4_，優(yōu)選8mm。所述超疏水大孔網(wǎng)材2的孔徑為200?500微米，優(yōu)選250?500微米。
[0028]所述的親水材料層4可以選擇水層或者纖維素膜，親水材料層的厚度為3?5mm。
[0029]實(shí)施例1:
[0030]將商品化的50目銅網(wǎng)(最大孔徑約500微米)利用4M鹽酸浸泡10分鐘，然后利用IM氫氧化鈉與0.13M過(guò)硫酸銨浸泡銅網(wǎng)5分鐘,洗凈晾干。再利用ImM十二燒基硫醇的乙醇溶液浸泡2小時(shí)后，利用乙醇沖洗干凈，晾干得到超疏水大孔網(wǎng)材2，即超疏水銅網(wǎng)，如圖1a所示，所示的超疏水銅網(wǎng)具有超疏水性，對(duì)水滴的接觸角在150°以上。如圖1b所示，所述的超疏水銅網(wǎng)表面存在典型的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)對(duì)于增強(qiáng)銅網(wǎng)的疏水性能起著極為重要的作用。利用纖維素基聚丙烯酸酯類膠帶將超疏水銅網(wǎng)與內(nèi)徑8毫米、夕卜徑10毫米的高分子管材I進(jìn)行粘合，得到超疏水泵。垂直安置所得到的超疏水泵，高分子管材I中滴加約3?5毫米的水層作為親水材料層4。如圖3所示，利用疏水注射器將液滴連續(xù)運(yùn)輸?shù)匠杷孟卤砻娌⑴c超疏水銅網(wǎng)接觸，由于不對(duì)稱拉普拉斯壓的作用，上方水層被連續(xù)抬升至14毫米左右，實(shí)現(xiàn)反重力液體運(yùn)輸。
[0031]實(shí)施例2.
[0032]將商品化的50目銅網(wǎng)(最大孔徑約500微米)利用4M鹽酸浸泡10分鐘，利用IM氫氧化鈉與0.13M過(guò)硫酸銨浸泡銅網(wǎng)5分鐘，洗凈晾干。利用ImM十二烷基硫醇的乙醇溶液浸泡2小時(shí)后，利用乙醇沖洗干凈，晾干得到超疏水大孔網(wǎng)材，即超疏水銅網(wǎng)。利用纖維素基聚丙烯酸酯類膠帶將超疏水銅網(wǎng)與內(nèi)徑5毫米、外徑6毫米的高分子彎管進(jìn)行粘合，得到超疏水泵。如圖4所示，安置所得到的超疏水泵，彎管中設(shè)置3?5毫米的纖維素膜層作為親水材料層4。利用疏水注射器將液滴連續(xù)運(yùn)輸?shù)匠杷孟卤砻?，由于不?duì)稱拉普拉斯壓的作用，液滴被連續(xù)運(yùn)輸?shù)郊sI厘米高的平臺(tái)上，此時(shí)的平臺(tái)上可以設(shè)置超疏水基底，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化自發(fā)反重力運(yùn)輸液體。
【權(quán)利要求】
1.一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵，其特征在于:所述的超疏水泵包括超疏水大孔網(wǎng)材和高分子管材，所述的超疏水大孔網(wǎng)材通過(guò)粘結(jié)劑固定在高分子管材的一端，并在所述高分子管材內(nèi)部、超疏水大孔網(wǎng)材上表面填充親水材料層，形成超疏水泵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵，其特征在于:所述高分子管材的內(nèi)徑大于4mm，所述超疏水大孔網(wǎng)材的孔徑為200?500微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵，其特征在于:所述高分子管材的內(nèi)徑8_，所述超疏水大孔網(wǎng)材的孔徑為250?500微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵，其特征在于:所述的親水材料層選擇水層或者纖維素膜，親水材料層的厚度為3?5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵，其特征在于:所述的粘合劑為纖維素基的聚丙烯酯類粘結(jié)劑。
6.一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵的制備方法，其特征在于:將超疏水大孔網(wǎng)材單面定點(diǎn)粘附到高分子管材末端，在高分子管材內(nèi)部中填充親水材料層，實(shí)現(xiàn)了液滴的收集與反重力運(yùn)輸，即用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵。
7.一種用于自發(fā)反重力運(yùn)輸微小水滴的超疏水泵的應(yīng)用，其特征在于:將所述高分子管材豎直放置，超疏水大孔網(wǎng)材在下方，與所述超疏水大孔網(wǎng)材下表面接觸的液滴會(huì)在拉普拉斯壓的推動(dòng)下，向高分子管材內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)反重力運(yùn)輸微小液滴，對(duì)微流控器件連續(xù)提供水流及動(dòng)力。
【文檔編號(hào)】B01J19/00GK104437691SQ201410742970
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】劉克松, 曹墨源, 馬曉燕, 李 浩, 江雷 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)