專利名稱：具有偏向潤(rùn)濕表面的流體處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及流體處理裝置，尤其涉及流體處理裝置的潤(rùn)濕表面。
背景技術(shù)：
許多工業(yè)工藝涉及液體與固體表面的相互作用。通常，需要控制或影響相 互作用的方式，尤其是表面潤(rùn)濕的程度，以達(dá)到特定的結(jié)果。例如，有時(shí)將表 面活性劑添加到清洗工藝所采用的液體中，以達(dá)到更多的表面潤(rùn)濕。在相反的 情形中，有時(shí)將防水性涂層添加到布料中以減小表面潤(rùn)濕并加快布料的干燥速度。
過去數(shù)十年間，有許多研究已經(jīng)致力于分析和理解影響表面潤(rùn)濕的原則和 特性。液體"厭性"表面，即具有抗液體潤(rùn)濕性的表面尤其受到關(guān)注。這樣的表 面在液體特定地為水的時(shí)候可被稱為是疏水的，以及相對(duì)于水和其它任何液體 來說是疏液的。若表面抗?jié)櫇竦某潭冗_(dá)到小水滴或其它小液滴與表面成非常高 的靜止接觸角度(大于約120度)，若表面成顯著減小的傾角以保持液滴，或 若當(dāng)表面完全浸沒在液體中時(shí)表面上存在液體-氣體-固體界面，則該表面通常 可稱為超疏水或超疏液表面。本申請(qǐng)中，術(shù)語超厭性通常用來指超疏水和超疏 液表面兩者。
在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中，可排水表面出于許多原因而受到特別的關(guān)注。幾乎 在液體必須從表面干燥掉的任何工藝中，如果表面能散發(fā)液體而無需加熱或長(zhǎng) 時(shí)間的干燥，則可產(chǎn)生顯著的效果。通常器具具有所需的用于干燥的朝向，使 流體不會(huì)由于重力的影響而留在孔穴或低凹處中。
此外，與常規(guī)的表面相比，超厭性表面的液體和表面之間的摩擦顯著減小。 因而，極其需要偏向潤(rùn)濕表面來減小某些方向的表面摩擦力，并在宏觀尺度使得在大量液壓和水力應(yīng)用中，尤其是微流體應(yīng)用中的流動(dòng)增加。在某些微流體 應(yīng)用中，需要流體以一個(gè)方向比與之相對(duì)的方向更便利的方式流經(jīng)導(dǎo)管。在其 它情形中，需要使流體保持在裝置的某一部分內(nèi)或需要減小它們的流速。
眾所周知，表面的粗糙度對(duì)表面潤(rùn)濕度具有重要影響。通?？捎^察到，在 一些情況下，與相應(yīng)的光滑表面相比，表面粗糙可使液體較緊密地附著在其上。 但是，在一些情況下，與光滑表面相比，表面粗糙可使液體較不緊密地附著在 其上。在一些情況下，表面粗糙可使表面顯現(xiàn)出偏向潤(rùn)濕。
先前已有研究嘗試人為地使表面粗糙化以生成超疏液表面。粗糙表面通常 采用基層件的形式，其具有大量微尺度至納米尺度的凸塊或孔穴，在此稱為"不 平整"。
表面潤(rùn)濕性對(duì)特定的流體處理產(chǎn)品可具有顯著影響。例如，燃料電池中的 流體管理和潤(rùn)濕性能已成為最近研究的主題。燃料電池設(shè)計(jì)中一直存在的難題 是管理電池中的水。燃料電池生成水來作為反應(yīng)產(chǎn)物。在某些情況下，水在電 池內(nèi)很快被解析出。這樣的水通常產(chǎn)生于電池的陰極側(cè)，并且若允許累積水的 話，會(huì)限制或阻止燃料流進(jìn)入電池。這樣的情形在本領(lǐng)域中被稱為"陰極水滿 溢"。此外，電池和周圍環(huán)境之間的溫差可很大，使得操作過程中隨著空氣進(jìn)出 電池，而經(jīng)常發(fā)生水蒸氣冷凝。
通常，雙極板的表面設(shè)有排水槽，使得水被導(dǎo)向通過槽到達(dá)積集區(qū)以從電 池排干。此外，雙極板通常由具有較低表面能量的材料制成，以使水更容易從 雙極板排干。但是，這些措施都無法完全成功地消除燃料電池中的陰極水滿溢 和水管理問題。尤其是，即使在燃料電池中采用諸如PTFE的低表面能量材料， 水滴也可能附著在雙極板上和電池內(nèi)的其它表面上，而不是像所需要的那樣排 干。工業(yè)中所需要的燃料電池必須具有有助于改進(jìn)電池中排水的組件。
對(duì)于另一個(gè)例子，微流體裝置設(shè)計(jì)中的重要因素是流體與裝置的微槽中的 表面接觸而引發(fā)的流體運(yùn)動(dòng)的阻力。可能需要控制微流體裝置內(nèi)的流體流動(dòng)， 使流體在一個(gè)方向上與另一方向相比更易于流動(dòng)。通常，反應(yīng)物會(huì)從一個(gè)或多 個(gè)入口流進(jìn)微流體裝置，并且產(chǎn)物會(huì)從一個(gè)或多個(gè)出口流出。有時(shí)，反向流動(dòng) 可導(dǎo)致反應(yīng)物污染或其它問題。工業(yè)中所需的微流體裝置具有流體流動(dòng)槽，其 具有可預(yù)知的各向異性或?qū)α黧w流動(dòng)的偏向阻力。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明包括流體處理裝置，其包括具有各向異性潤(rùn)濕性 的、耐用的、通常為疏液或超疏液的表面。即流體在流經(jīng)表面時(shí)會(huì)表現(xiàn)出取決 于流體流動(dòng)的方向的可變阻力。各向異性潤(rùn)濕表面通常包括具有大量凸起的、 非對(duì)稱的、規(guī)則形狀的微尺度或納米尺度不平整部的基部。對(duì)于本申請(qǐng)而言，流體處理裝置包括管道、管件、接頭、閥、流量計(jì)、桶、泵、潤(rùn)濕燃料電池組 件、微流體裝置和組件，以及可用來處理、傳輸、包含或傳送流體的其它任何 裝置或組件。液體處理裝置也可包括吸管、滴定管、燒瓶、燒杯、管件、噴嘴、 接頭以及實(shí)驗(yàn)室或制造工藝環(huán)境中用來測(cè)量和轉(zhuǎn)移流體的其它裝置。
不平整部可形成于基材內(nèi)或基材本身上，或形成于設(shè)置于基部表面的一層 或多層材料層內(nèi)。不平整部可以是任何規(guī)則或不規(guī)則形狀的三面實(shí)體或孔穴， 并且可以任何規(guī)則的幾何模式設(shè)置或隨機(jī)設(shè)置。
可采用己知的成型和沖壓法，通過將工藝中所采用的模具或壓模的加工部 件構(gòu)造出紋理來形成根據(jù)本發(fā)明的微尺度不平整部。工藝可包括注塑成型、紋 理壓光輥擠出成形、壓塑成型工具或適合形成微尺度不平整部的其它任何已知 的工具或方法。
形成較小尺度的不平整部可采用光刻或采用納米加工、微壓印、微接觸印 刷、自組裝金屬膠體單層、原子力顯微鏡納米加工、溶膠-凝膠成形、自組裝單 層有序圖案、化學(xué)蝕刻、溶膠-凝膠壓印、膠體油墨印刷或通過在基部上放置平 行碳納米管層。
生成不對(duì)稱的不平整部可使表面的流體保持力產(chǎn)生偏向。這個(gè)方法既可應(yīng) 用于平坦面，也可應(yīng)用于諸如管或槽的曲面。有偏向的流體保持力可結(jié)合到常 規(guī)的潤(rùn)濕表面，也可結(jié)合到超厭性表面。不對(duì)稱特性可為隨機(jī)或周期性的設(shè)計(jì)。 周期性的不平整部可成兩維變化，諸如結(jié)構(gòu)條紋、脊、槽或溝。周期性的不平 整部也可成三維變化，諸如桿、截頭圓錐、圓錐或坑。不平整部的尺寸、形狀、 間距和角度可進(jìn)行定制以達(dá)到所需的各向異性潤(rùn)濕性能。
通常，各向異性潤(rùn)濕性對(duì)表面上的液滴和管、槽、渠道內(nèi)的液塊是有效的。 具有各向異性潤(rùn)濕性的表面可被用來確保小液滴或液塊從表面完全排干，或可 選地可有助于確保液滴或液塊被保留，使得在傾倒或排水過程結(jié)束時(shí)發(fā)生漏水 的危險(xiǎn)減小。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有各向異性流體接觸表面的一段管件的局部縱向剖 視圖2是圖1中的該段管件沿剖面線2-2的橫剖視圖3是根據(jù)本發(fā)明的連接兩段管道的90度彎管接頭的局部縱向剖視圖4是根據(jù)本發(fā)明的三通閥組件的剖視圖5是根據(jù)本發(fā)明的雙通閥組件的剖視圖6是根據(jù)本發(fā)明的直列式流量器組件的剖視圖7是根據(jù)本發(fā)明的直列式流量器視管的剖視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的具有各向異性潤(rùn)濕流體接觸表面的微流體裝置的分解
圖9是沿圖8的截面9-9的圖8裝置的橫剖視圖IO是根據(jù)本發(fā)明的微流體裝置的替代實(shí)施例；
圖11是根據(jù)本發(fā)明的具有各向異性流體接觸表面的燃料電池組裝置的橫
剖視簡(jiǎn)圖12是圖11的燃料電池組裝置的局部放大圖，示出了裝置中的一個(gè)槽；
圖13a是具有光滑壁面的毛細(xì)管的剖視圖13b是具有對(duì)稱不平整部的壁面的毛細(xì)管的剖視圖13C是具有不對(duì)稱不平整部的壁面的毛細(xì)管的剖視圖14是毛細(xì)管中的液塊的剖視圖，其中液塊受外力的影響；
圖15a是與表面不平整部或特征相互作用的液塊的接觸線的放大側(cè)視圖， 其中接觸線在前進(jìn)；
圖15b是與表面不平整部或特征相互作用的液塊的接觸線的放大側(cè)視圖， 其中接觸線正在后退；
圖16a是具有對(duì)稱的通常為鋸齒狀不平整部的毛細(xì)管壁的放大的局部剖視
圖16b是具有不對(duì)稱的通常為鋸齒狀不平整部的毛細(xì)管壁的放大的局部剖 視圖16c是各向異性流體接觸表面的放大的局部立體圖，其不平整部以不對(duì) 稱的通常為鋸齒狀脊的形式存在；
圖16d是具有不對(duì)稱棱柱體不平整部的各向異性流體接觸表面的放大的局 部立體圖16e是具有不對(duì)稱截頭圓錐不平整部的各向異性流體接觸表面的放大的 局部立體圖17是具有對(duì)稱鋸齒特征的表面的固位力與相應(yīng)的光滑表面的固位力比 率曲線圖18是具有不對(duì)稱鋸齒特征表面的固位力比率與升角關(guān)系的曲線圖19是具有不對(duì)稱鋸齒特征表面的固位力比率與升角關(guān)系的曲線圖；以
及
圖20是在F產(chǎn)6的臨界狀態(tài)下靜止液滴的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
為了本申請(qǐng)的目的，流體處理裝置包括管道、管件、接頭、閥、流量計(jì)、 桶、泵、潤(rùn)濕燃料電池組件、微流體裝置和組件，以及可用來處理、傳輸、容置或傳送流體的其它任何裝置或組件。流體處理裝置也可包括吸管、滴定管、 燒瓶、燒杯、管件、噴嘴、接頭以及實(shí)驗(yàn)室或制造工藝環(huán)境中用來測(cè)量和傳送 流體的其它裝置，諸如熱量或質(zhì)量交換裝置，包括但不限于過濾器、熱交換器 及其組件。術(shù)語"流體接觸表面"廣義上指可與流體相接觸的流體處理組件的任 何表面或部分。術(shù)語"流體處理系統(tǒng)"指流體處理組件的任何流體相互連接裝置。 根據(jù)本發(fā)明的流體處理組件的各個(gè)實(shí)施例如圖l-12所示。在圖l和圖2中，
一段管件20通常包括本體22，其界定有用于傳輸流體的孔24。設(shè)有基層26 用于作為孔24的內(nèi)襯。各向異性潤(rùn)濕流體接觸表面28形成于基層26上，并 且朝內(nèi)以與流經(jīng)孔24的流體相接觸?？赏ㄟ^題為"用于流體控制裝置的性能高 分子薄膜內(nèi)嵌模壓"的共同未決的10/304,459號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)中所揭示的薄膜 內(nèi)嵌模壓，將基層26施加于本體22。該美國(guó)專利申請(qǐng)由本發(fā)明的所有者共同 所有，通過完全引用將其合并在此。雖然圖l和圖2的實(shí)施例示出了單獨(dú)的基 層26，但是應(yīng)認(rèn)為在其它實(shí)施例中，本體22可用作基部，在其向內(nèi)的表面上 直接形成各向異性潤(rùn)濕流體接觸表面28。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)為各向異性潤(rùn)濕流體接觸表 面可占據(jù)管件20的整個(gè)長(zhǎng)度或可選擇性地置于所需要的流動(dòng)狀態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)上。
圖3示出了以連接兩段管道32的以90度彎管接頭30形式存在的流體處 理組件的另一個(gè)實(shí)施例。彎管接頭30通常包括本體部34，其具有直接位于內(nèi) 表面36上的各向異性潤(rùn)濕的流體接觸表面28。各管道32的內(nèi)表面38也可以 是各向異性潤(rùn)濕的接觸表面28。當(dāng)然，很容易認(rèn)識(shí)到各向異性潤(rùn)濕的流體接觸 表面28可設(shè)置在任何形狀或尺寸的管道、管件、接頭和渠道上。例如，雖然 在此圖3示出了 90度彎管接頭，但是根據(jù)本發(fā)明的各向異性潤(rùn)濕的流體接觸 表面也可設(shè)置在諸如巨肘彎管、T形管、Y形管及衛(wèi)生設(shè)備配件、歧管等的其 它接頭上。
此外，其它更為復(fù)雜的流體處理組件，諸如圖5所示的二位閥40，可具有 各向異性潤(rùn)濕流體接觸表面28。 二位閥40通常包括閥體42和閥桿44。閥體 42通常包括由連續(xù)流道50連接的入口 46和出口 48。閥桿44包括柄52、桿 54和密封表面56。各向異性潤(rùn)濕流體接觸表面28可形成于該二位閥40的整 個(gè)潤(rùn)濕表面上，包括入口46、出口 48和流道50或任何需要促進(jìn)某個(gè)方向排水 的部分。各向異性潤(rùn)濕的流體接觸表面28也可形成于閥桿44的濕潤(rùn)部上。
圖4示出了流體處理組件的另一個(gè)替代實(shí)施例。在圖4中，三位閥60包 括閥體62，其包括入口 64、第一出口 66和第二出口 68。三位閥60也包括位 于中心孔72內(nèi)的閥桿70。第一出口 66和第二出口 68設(shè)置為倒鉤形端73，其 有助于與剩余的流體回路相互連接。而且各向異性潤(rùn)濕的流體接觸表面28可 形成于閥體62的整個(gè)濕潤(rùn)表面和閥桿70上，或選擇性地在其任何部上。
顯然各向異性潤(rùn)濕的流體接觸表面28可應(yīng)用于任何設(shè)置形式的閥。這些設(shè)置形式可包括任何數(shù)量的入口和出口和各種閥連接件，閥連接件包括陰陽螺 紋型的連接器和衛(wèi)生連接器。此外，根據(jù)本發(fā)明的各向異性潤(rùn)濕的流體接觸表 面可選擇性地應(yīng)用于各種閥桿，包括球閥、閘閥和隔膜閥中使用的閥桿，以促 進(jìn)排水或?qū)α黧w運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偏向或?qū)颉?br> 如圖6和圖7所示，流體處理組件可為流量計(jì)組件74。流量計(jì)組件74通 常包括入口76、出口78、視管80和浮子82。在示出的實(shí)施例中，各向異性潤(rùn) 濕流體接觸表面28形成于流量計(jì)組件74的所有濕潤(rùn)表面上。在圖7示出的替 代實(shí)施例中，視管80具有內(nèi)部基層84，在基層84的內(nèi)表面86上具有各向異 性潤(rùn)濕流體接觸表面28。應(yīng)認(rèn)為各向異性潤(rùn)濕的流體接觸表面28可被施加在 任何類型的流體監(jiān)測(cè)裝置，包括具有用于傳輸流體流動(dòng)數(shù)據(jù)的傳感器的流量 計(jì)。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，各向異性潤(rùn)濕的流體接觸表面28可形成于工業(yè)中 常用的利用葉輪、渦輪、磁鐵或其它流量傳感裝置的傳感器上。
總之，應(yīng)認(rèn)為各向異性潤(rùn)濕的流體接觸表面28可應(yīng)用于具有需要這一性 能的任何流體處理組件。流體處理組件的其它例子可包括流體移動(dòng)裝置，諸如 泵、噴嘴、水堰以及諸如汽缸之類的液壓組件。也應(yīng)認(rèn)為將本發(fā)明的各向異性 潤(rùn)濕的流體接觸表面28施加于微流體的流體處理組件是有利的。
對(duì)于本申請(qǐng)的目的而言，術(shù)語"微流體的流體處理組件"在廣義上指，可 用來接觸、處理、傳輸、容置、加工或傳送流體的其它任何裝置或組件，其中 流體流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)微小尺寸的流體流道。對(duì)于本申請(qǐng)的目的而言，"微小"表 示小于或等于500微米的尺寸。
圖8中的分解放大圖示出了根據(jù)本發(fā)明的微流體裝置88。裝置88通常包 括其中界定有矩形流道92的本體90。本體90通常包括主體部94和罩部96。 流道92的三側(cè)由主體部94上的向內(nèi)的表面98界定，第四側(cè)由罩部96上的向 內(nèi)的表面100界定。如圖8和圖9所示，表面98和表面100共同界定出流道 壁102。
根據(jù)本發(fā)明，流道壁102的所有或任何有需要的部分都可具有各向異性潤(rùn) 濕的流體接觸表面28。雖然圖8所示的是具有矩形流道的兩件式設(shè)置形式，但 應(yīng)當(dāng)認(rèn)為微流體裝置88可形成為其它任何設(shè)置形式，事實(shí)上可為其它任何流 道形狀或設(shè)置形式，包括具有圓柱形、多邊形或不規(guī)則形狀流道的一件體。
圖10中的橫剖視圖示出了微流體裝置88的替代實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中， 本體104形成為一整體構(gòu)成的部件。圓柱形流道106被界定在本體104內(nèi)，并 且流道壁108具有面向流道106內(nèi)的各向異性潤(rùn)濕的流體接觸表面28。
還應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明尤其可應(yīng)用于燃料電池內(nèi)的流體管理。對(duì)于本申請(qǐng)的目的 而言，術(shù)語"燃料電池"指任何類型的電化學(xué)燃料電池裝置或設(shè)備，包括但不限 于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸電解質(zhì)燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、以及固體氧化物燃料電池 (SOFC)。術(shù)語"燃料電池組裝置"指包括至少一個(gè)燃料電池和任何及其所有組 件的裝置，以及與燃料電池功能相關(guān)的任何和所有的獨(dú)立組件，包括但不限于 密封件、絕緣件、歧管、管件和電氣部件。
圖11中的簡(jiǎn)化剖視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組裝置110的實(shí)施例 的一部分。燃料電池組裝置110通常包括由雙極板114分隔的膜電極組件112。 端板116在各端將裝置110包容起來。各膜電極組件112通常包括陽極膜構(gòu)件 118、陰極膜構(gòu)件120和電解質(zhì)122。
雙極板114和端板116通常由諸如金屬或碳填充聚合物之類的導(dǎo)電、防蝕、 抗熱材料制成。通常雙極板114的表面124和端板116的向內(nèi)的表面126界定 了槽128，用于將燃料和氧化劑傳送給膜電極組件112并排干反應(yīng)產(chǎn)生的水。 雙極板114的熱傳送部130和端板116可設(shè)有額外的表面區(qū)域以將熱量從電池 上散除。
根據(jù)本發(fā)明，雙極板114或端板116的外表面的所有或任何預(yù)定部可為各 向異性潤(rùn)濕表面28。例如，如圖12所示，各向異性潤(rùn)濕表面28可設(shè)置在槽 128向內(nèi)的表面132上，以使槽128中更好地排水。反應(yīng)過程中逐漸形成的水 滴會(huì)較輕易地在各向異性潤(rùn)濕表面28上的預(yù)定方向內(nèi)流動(dòng)，使得水借助重力 從槽128排干。
如圖11所示，雙極板114或端板116的其它部分，諸如熱傳送部130和 外表面134，也可具有各向異性潤(rùn)濕表面28，使積集或冷凝在這些表面上的水 更好地排干。燃料電池組組件的其它組成部分，諸如燃料和氧化劑歧管及管件 (未示出)、孔(未示出)和封入表面(未示出)可具有各向異性潤(rùn)濕表面28， 以將由于在環(huán)境溫度和電池內(nèi)升高的溫度之間的濕氣運(yùn)動(dòng)而冷凝在這些組成 部分上的水排干。應(yīng)容易認(rèn)為根據(jù)本發(fā)明的各向異性潤(rùn)濕表面28可設(shè)置在任 何燃料電池組裝置組成部分的任何所需部分上，以改進(jìn)其排水性能。
現(xiàn)在來理解各向異性潤(rùn)濕流體接觸表面28的構(gòu)造，為方便說明，圖13a 至圖13c中示出了，圓柱形毛細(xì)管136的縱向剖面，其各界定有包括液塊140 的流道138。圖13a示出了具有較光滑的壁面142的毛細(xì)管136的流道138。圖 13b示出了在壁145上具有大致對(duì)稱的鋸齒特征144的流道138，為清楚起見， 鋸齒特征144的尺寸被大大地夸大。圖13c示出了在壁147上具有不對(duì)稱的鋸 齒特征146的流道138，以形成根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的各向異性潤(rùn)濕表面28， 為清楚起見，不對(duì)稱鋸齒特征146的尺寸被大大地夸大。
在圖13a的光滑管136中，抑制液塊140向左移動(dòng)的固位力-f。等于抑制液 塊140向右移動(dòng)的固位力fo。類似地，在圖13b的具有對(duì)稱特征144的管中， 抑制液塊140向左移動(dòng)的固位力-6等于抑制液塊140向右移動(dòng)的固位力f"但是，在圖13C所示的具有不對(duì)稱特征146的管中，隨著流體一般流動(dòng)越過由特
征146形成的峰頂和谷底，抑制液塊140向左移動(dòng)的固位力f3以可測(cè)量得到的 程度小于抑制液塊140向右移動(dòng)的固位力f2。正如以下將會(huì)詳述的，固位力差 值由表面特征的幾何形狀決定。根據(jù)如在此所述的預(yù)定關(guān)系來設(shè)置不對(duì)稱表面 特征，固位力差值生成了各向異性潤(rùn)濕流體接觸表面。
應(yīng)認(rèn)為圖13a至圖13c的液塊140，若不受外力影響，則會(huì)在管136中保 持靜止，因?yàn)闆]有施加任何能量來克服慣性和摩擦力。如圖14所示的半徑為R 的毛細(xì)管136中，當(dāng)外力F被作用到液塊140的流體-液體的界面148和150 時(shí)，其使兩個(gè)界面148和150彎曲，并朝作用力的方向偏轉(zhuǎn)。外力F可產(chǎn)生于， 例如，管的傾斜或作用于管末端152的流體壓力。前緣154和后緣156接觸線 處的毛細(xì)管力趨向于錨定液塊140，抑制其運(yùn)動(dòng)，直到作用的外力F超過臨界 值F,。當(dāng)達(dá)到這個(gè)閾值時(shí)，F(xiàn),等于固位力fi，液塊140的彎曲界面148和150， 在前緣接觸線154成一前進(jìn)接觸角0a，在后緣接觸線156成一后退接觸角 。 若外力F進(jìn)一步增加，使得F戶f,，則液塊140開始在受外力F推進(jìn)的方向上移 動(dòng)。
在半徑為R的圓柱形毛細(xì)管中的抑制初始運(yùn)動(dòng)的固位力f,的大小，由流體 -液體界面拉力Y和前進(jìn)及后退接觸角決定，
fi=kyR(coser-cosea) (1)
其中，
k=27i (2)
若表面是干凈、光滑和無疵點(diǎn)的，則固位力可用固有的接觸角0a,。和
表示，
fO=kYR(COS0r,O-COS0a,O) (3)
與光滑表面相比，表面粗糙通常使固位力增加。由于接觸角與表面的不平 整部或特征之間的幾何相互作用引起接觸角的變化而使固位力增加。考慮到液
塊140的接觸線與基層表面158上的表面不平整部或特征146相互作用，如圖 15a和圖15b所示。基板表面158上特征146的升角表示為ov圖15(a)示出了 以所呈現(xiàn)的前進(jìn)接觸角0a前進(jìn)穿過特征146的接觸線162。液體在特征146的 表面164上所呈現(xiàn)的是實(shí)際的前進(jìn)角9a，。。相對(duì)于基層表面158所呈現(xiàn)的前進(jìn)
接觸角9a和實(shí)際的前進(jìn)角6a，。之間的差值取決于由特征決定的升角C0i。與特征
146相互作用使&增加，使得，
0a一a,Q+叫 (4)
圖15(b)示出了接觸線166以所呈現(xiàn)的后退接觸角A回退穿過相同的特征 146。液體在特征146的表面164上所呈現(xiàn)的是實(shí)際的后退角e^。與前進(jìn)的例 子相比，與特征相互作用使A減小，使得，e,er,o陽叫 (5)
作為示例，可假定毛細(xì)管136的內(nèi)表面上的特征144、 146采取如圖16a 和圖16b所示的鋸齒或棘爪的形式，并且這些管內(nèi)的粗糙度是徑向?qū)ΨQ的(在 它們的橫剖視形狀中，特征沿著整個(gè)外圍延伸而無變化)。對(duì)于如圖16(a)所描 繪的具有升角coi的對(duì)稱特征144，固位力-&與固位力&相等，并且潤(rùn)濕是各 向同性的。結(jié)合式(l)、 (4)和(5)對(duì)fi進(jìn)行估算，
f產(chǎn)kyR[cos(9r，o,)-cos(0a,o+co0] (6) 若毛細(xì)管136的內(nèi)表面具有如圖16(b)所示的不對(duì)稱特征146，則固位力差 值的大小Af或f3和f2之間的差值可用Q)2和co3表示
△f= f3- f2= kyR[cos(6r,0-o)3)-cos(6a,0+co3)- cos(9r,0-co2)+cos(9a,0+G)2)] (7)
由于幾何限定條件，6r，o-roi必須^)。，并且ea,o+COi必須^180。。許多三角函 數(shù)可用于分解項(xiàng)而對(duì)表達(dá)式進(jìn)行簡(jiǎn)化?？筛鶕?jù)內(nèi)在滯后Ae。來構(gòu)造固位力的通 式fi，
f/ k，2sin[1/2 (er,o+ea,o)]sin(0Oi+y2線) (8)
△e0=ea，0-er，。 (9)
以及升角fOi，其中對(duì)于干凈、光滑的表面i=0， (o。=0;對(duì)于具有對(duì)稱鋸齒 特征的表面，i=l ，其中co戶0;以及對(duì)于具有不對(duì)稱特征的表面，i=2或3， Q)#o)3。 從式(7)得到的具有不對(duì)稱粗糙度的管的固位力差值A(chǔ)f可改寫為 △f= f3- f2=2 kyRsin[1/2 (er,。+ea，。)][sin(co3 +1/2Ae。)- sin(o2 +1/2A0。)] (10)
式(8)也可用來表示比率形式的固位力。例如，具有對(duì)稱鋸齒特征的毛細(xì)管 的固位力與具有光滑表面的相應(yīng)管相比得到比率，
ffsin(ah十'/2線)/sin(y2Aeo) (11)
在另一例子中，在固位力是處于徑向相對(duì)的情況下，具有不對(duì)稱鋸齒特征 的管內(nèi)的固位力之比可由下式表示，
f3/ f2=sin(co3 +1/2A60)/sin((o2+1/2A90) (12)
應(yīng)認(rèn)為無論這個(gè)f3/f2，也稱作固位力比率，超過或小于l，表面會(huì)呈現(xiàn)出
各向異性潤(rùn)濕性，構(gòu)成各向異性潤(rùn)濕表面28。各向異性潤(rùn)濕的程度隨著固位力 比率接近1而減小。當(dāng)為1時(shí)，潤(rùn)濕是各向同性的。
還應(yīng)進(jìn)一步認(rèn)為，各向異性潤(rùn)濕流體接觸表面28可包括多種形狀并設(shè)置 成多種圖案的不對(duì)稱特征。例如，如圖16c所示，各向異性潤(rùn)濕流體接觸表面 28可以連續(xù)的鋸齒脊170形成于基部172上。在另一例子中，如圖16d和圖 16e所示，截頭棱錐174或截頭圓錐176狀的不平整部可以較規(guī)則或較不規(guī)則 的圖案設(shè)置在基部172上。不平整部實(shí)際上還可為相對(duì)的升角彼此呈現(xiàn)不同角 度的、其它任何不對(duì)稱形狀，包括幾乎任何不規(guī)則形狀的三維實(shí)體或孔穴。
從上述例子可知，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解所表示的任何類型的表面相對(duì)于其它任何類型的表面的固位力關(guān)系。例如圖17示出了對(duì)于不同程度的內(nèi)在滯
后A9()，具有對(duì)稱鋸齒特征的毛細(xì)管固位力與相應(yīng)的、對(duì)于液體/固體組合為光
滑的管的固位力的的比率。即使當(dāng)管的表面是光滑且干凈的也存在固位力，即
|&|總是>0時(shí)。隨著coi增加并且管的表面變得更粗糙，相對(duì)固位力也增加。對(duì) 于較小的(Oi值，f"fo的增長(zhǎng)是線性的。在數(shù)學(xué)項(xiàng)中，若叫+l/2Ae。《i，則式(ll)
簡(jiǎn)化成
f。-2c^線+l (13)
應(yīng)認(rèn)為從圖17和式(13)可得出系統(tǒng)中的內(nèi)在滯后越大，表面的粗糙度對(duì)
固位力施加的影響就越小。例如，采用圖17來比較直徑相同的兩個(gè)毛細(xì)管， 一個(gè)毛細(xì)管具有光滑的內(nèi)表面，另一個(gè)毛細(xì)管具有co，10。的鋸齒特征，若液體 和構(gòu)造材料表明有Ae^lO。的內(nèi)在滯后，則固位力比率(f,/f『2.97)比A9『30。 (f,/f『1.63)時(shí)大得多。
在另一個(gè)例子中，圖18示出了對(duì)于不同的①3值，具有不對(duì)稱鋸齒特征的 管的固位力比率f3/f2相對(duì)于Q)2的的關(guān)系圖。系統(tǒng)的內(nèi)在滯后假定為Ae『10。。 對(duì)于棘爪狀構(gòu)造的管，其中(02=45°且ra3=90°， f3/f2=1.30。 C02和G)3之間的差值 越大，則兩個(gè)相反方向上的固位力的懸殊就越大；若032=10°且0)3=90°， f3/f2=3. 85。預(yù)計(jì)采用淺升角也可得到強(qiáng)偏向。若0)2=1°且0)3=10°，則&/&=2. 48。另 外，若co2=l°i co3=90°，則fVf2〉9。
在另一個(gè)例子中，圖19示出了對(duì)于不同的內(nèi)在滯后A9。，具有不對(duì)稱鋸齒 特征的表面固位力比率f3/ f2相對(duì)于升角C02的變化。在此例子中，co3=90°。對(duì) 于對(duì)稱特征，隨著Aeo增加，固位力比率減小。例如，在02=10°且。3=90°的不 對(duì)稱鋸齒特征毛細(xì)管中，若內(nèi)在滯后A9^10。，則固位力比率f3/f^3.85。若Aeo 增加到30°，則f3/ f2降低到2.29。
上述關(guān)系實(shí)際上也可用來測(cè)量表面固位力的絕對(duì)值。例如，具有光滑內(nèi)部 表面的水平PTFE管中、半徑R4毫米的液塊r前進(jìn)接觸角ea，。=108°，內(nèi)在滯 后A9『10。。在圖13a示出的無特征的管中，阻止移置液塊的固位力是f()-77^iN。 因此，液塊在各方向內(nèi)初始移動(dòng)都需要"7pN的外力。若采用較低界面張力的 流體-液體結(jié)合，則固位力將會(huì)較小。
通過將002=10°且(03=卯。的不對(duì)稱鋸齒特征引入到圖13c所示的PTFE管的 內(nèi)表面上，Af=672pN。當(dāng)然重要的是，注意到在各個(gè)方向移動(dòng)液塊的外力比光 滑管的值大，f2=228|iiN， f3=90(HiN。由于導(dǎo)向右邊的固位力f2較小，因此液塊 很容易移動(dòng)到左邊，如圖13(c)所示。若管被做得足夠小，產(chǎn)生初始移動(dòng)的壓力 差相當(dāng)大。對(duì)于上述PTFE管(ea,o=108°， Ae『10。， (02=10°且co3=W°)，若管 徑縮小到20微米，則在一個(gè)方向相對(duì)于另一方向移動(dòng)液塊的壓力差約是20kPa。 因而，這種構(gòu)造可用于微流體裝置的閥或閘中。特征的大小對(duì)靜止的液塊來說，是較次要的。小特征應(yīng)當(dāng)生成與大特征相 同的偏向潤(rùn)濕性能。但是， 一旦液塊開始移動(dòng)，較小特征與較大特征相比可能 更具優(yōu)勢(shì)。較小特征不太會(huì)破壞流。若特征太大，則表面特征會(huì)使湍流增加， 從而增加流動(dòng)阻力。因而，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，其中各向異性潤(rùn)濕流體
接觸表面28可能會(huì)有流體流動(dòng)，構(gòu)成各向異性潤(rùn)濕流體接觸表面28的不平整 部的平均值通常可小于500微米，在其它實(shí)施例中通常小于10微米，在另一 些實(shí)施例中可小于100納米。
盡管這里的分析針對(duì)具有環(huán)形橫截面的毛細(xì)管，但是其也可用于非環(huán)形管 和座滴。不同之處僅在于式(1)采用不同的前系數(shù)k。而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)理解要使流動(dòng)開始，必須考慮額外的力，諸如來自液體粘性、慣性或垂直移 置的力。
圖20是外力F^乍用下的靜止座滴180的側(cè)視圖。外力使座滴180的形狀 扭曲，使其向前"傾斜"。如圖所示，座滴180已達(dá)到固位力和外力相等的臨界 狀態(tài)，f產(chǎn)F,。在臨界形態(tài)中，座滴的接觸角在前緣呈現(xiàn)出前進(jìn)角值ea，在后緣 呈現(xiàn)出后退角值 。若F,稍微增加，則座滴180會(huì)開始移動(dòng)。表述與毛細(xì)管內(nèi) 液塊相關(guān)的固位力的通式也可表述與座滴相關(guān)的固位力，
fi=kYR(coser-cosea) (1)
其中在此情況下，2R是座滴寬度，前系數(shù)k取決于接觸線的形狀。若座滴 的接觸線是環(huán)形的，則<formula>formula see original document page 15</formula>
若液滴由于外力而變長(zhǎng)，則k增加。
為了使液塊在小直徑毛細(xì)管中開始移動(dòng)，必須施加最小外力以克服在接觸 線處作用的界面張力相關(guān)的固位力。固位力的大小隨著流體-液體界面張力和表 面粗糙度的增加而增加。若表面粗糙度由對(duì)稱特征組成，則初始沿著毛細(xì)管的 軸線作用在兩個(gè)方向上的針對(duì)初始移動(dòng)所增加的阻力是相同的，并且潤(rùn)濕是各 向同性的。若特征是不對(duì)稱的，則固位力在一個(gè)方向較小，并且潤(rùn)濕是各向異 性的。表面特征的不對(duì)稱性越大，則兩個(gè)相反方向內(nèi)的固位力的不一致性越大。 表面特征設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)脑?，固位力差值A(chǔ)f可超過5X。顯現(xiàn)最小內(nèi)在接觸角后滯 的液體-固體組合預(yù)期會(huì)顯現(xiàn)出更大的調(diào)整。
通常，制造流體處理裝置的基材可為任何通常使用的疏液的或超厭性材 料，在這些材料上可以恰當(dāng)?shù)匦纬刹粚?duì)稱微尺度或納米尺度的不平整部。不平 整部可利用光刻或任何合適的方法在基材上直接形成，或形成在基材上設(shè)置的 一層或多層材料上?？刹捎靡阎乃苣：蛪河》?，通過將工藝中所采用的模具 或壓模的加工部件構(gòu)造出紋理來形成根據(jù)本發(fā)明的微尺度的不平整部。工藝可 包括注塑成型、紋理壓光輥擠出成形、壓塑成型工具或適合形成微尺度不平整部的其它任何已知的工具或方法。
適于形成所需形狀和間隔的較小尺度不平整部的其它方法包括第
2002/00334879號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開揭示的納米加工、第5,725,788號(hào)美國(guó)專利 揭示的微壓印、第5,900,160號(hào)美國(guó)專利揭示的微接觸印刷、第5,609,907號(hào)美 國(guó)專利揭示的自組裝金屬膠體單層、第6,444,254號(hào)美國(guó)專利揭示的微壓印、 第5,252,835號(hào)美國(guó)專利揭示的原子力顯微鏡納米加工、第6,403,388號(hào)美國(guó)專 利揭示的納米加工、第6,530,554號(hào)美國(guó)專利揭示的溶膠-凝膠成形、第6,518,168 號(hào)美國(guó)專利揭示的表面自組裝單層有序圖案、第6,541,389號(hào)美國(guó)專利揭示的 化學(xué)蝕刻、或第2003/0047822號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開揭示的溶膠-凝膠壓印，所 有這些文獻(xiàn)通過完全引用將其合并在此。也可采用碳納米管構(gòu)造來構(gòu)成所需的 不平整部幾何形狀。第2002/0098135號(hào)和第2002/0136683號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公 開文件揭示了碳納米管構(gòu)造的例子，也通過完全引用將其合并在此。而且，可 采用已知的膠體油墨印刷法來構(gòu)成合適的不平整部結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，應(yīng)認(rèn)為也可采 用其它可準(zhǔn)確形成微/納米尺度不平整部的任何方法。WO02/084340號(hào)PCT專 利申請(qǐng)公開文件中揭示了適用于形成微尺度或納米尺度不平整部的光刻法，通 過完全引用將其合并在此。
應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明的各向異性潤(rùn)濕表面可用于眾多應(yīng)用中。例如，應(yīng)認(rèn)為若各 向異性潤(rùn)濕表面被用于諸如管道、管件、接口、閥和其它裝置之類的流體處理 系統(tǒng)的潤(rùn)濕部上，則流體摩擦力和湍流會(huì)顯著減小。通過更快的干燥時(shí)間和干 燥后在表面上很少有化學(xué)殘留，可改進(jìn)重要的清潔工藝的有效性。也應(yīng)認(rèn)為， 根據(jù)本發(fā)明的各向異性潤(rùn)濕表面會(huì)阻礙表面上的生物膜內(nèi)有機(jī)體的生長(zhǎng)，部分 原因是表面的定向排水有顯著改進(jìn)。
各向異性潤(rùn)濕表面原理也可用于超厭性表面。下列美國(guó)專利和美國(guó)專利申 請(qǐng)中示出了超厭性潤(rùn)濕表面，通過完全引用將其合并在此。第10/824，340號(hào)、 第10/837,241號(hào)、第10/454,743號(hào)、第10/454,740號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)和第6,845,788 號(hào)美國(guó)專利。本申請(qǐng)可結(jié)合利用對(duì)上述申請(qǐng)和專利的揭示，以設(shè)計(jì)出同時(shí)具有 各向異性性和超厭性的表面。
本發(fā)明可以其它特定方式實(shí)施而不脫離其主要特征，因此，示出的實(shí)施例 從各個(gè)方面來說都是闡釋性的而并非是限制性的，參照后附的權(quán)利要求而非上 述說明書來表明本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種具有各向異性潤(rùn)濕表面部的流體處理裝置，所述各向異性潤(rùn)濕表面部包括其上具有多個(gè)不對(duì)稱的、形狀基本一致的微尺度或納米尺度不平整部的基部，各不平整部界定有相對(duì)于所述基部的第一不平整部升角和反向的第二不平整部升角，所述不平整部設(shè)置成提供大于或小于1的固位力比率(f3/f2)，所述固位力比率(f3/f2)由下式?jīng)Q定f3/f2＝sin(ω3+1/2Δθ0)/sin(ω2+1/2Δθ0)其中ω2是所述第一不平整部升角的度數(shù)，ω3是所述第二不平整部升角的度數(shù)，并且Δθ0＝(θa，0-θr，0)，其中θa，0是與所述表面接觸的流體的實(shí)際前進(jìn)接觸角的度數(shù)，θr，0是所述表面上的流體的實(shí)際后退接觸角的度數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的流體處理裝置，其中所述不平整部是凸起。
3. 如權(quán)利要求2所述的流體處理裝置，其中所述不平整部是多面狀的。
4. 如權(quán)利要求2所述的流體處理裝置，其中各不平整部具有通常是方形的 橫截面。
5. 如權(quán)利要求2所述的流體處理裝置，其中所述不平整部的形狀是圓柱 形、類圓柱形、圓錐形或截頭圓錐形。
6. 如權(quán)利要求1所述的流體處理裝置，其中所述不平整部是形成于所述基 部?jī)?nèi)的孔穴。
7. 如權(quán)利要求1所述的流體處理裝置，其中所述不平整部設(shè)置成基本一致 的陣列。
8. 如權(quán)利要求7所述的流體處理裝置，其中所述不平整部設(shè)置成矩形陣列。
9. 如權(quán)利要求1所述的流體處理裝置，其中所述流體處理裝置是微流體裝置。
10. 如權(quán)利要求1所述的流體處理裝置，其中所述流體處理裝置是燃料電 池組件。
11. 一種流體處理裝置上形成各向異性潤(rùn)濕表面的方法，所述方法包括提供具有表面的流體處理裝置；以及在所述流體處理裝置的所述表面上設(shè)置多個(gè)形狀基本一致的微尺度或納 米尺度的不平整部以形成所述各向異性潤(rùn)濕表面，各不平整部包括相對(duì)于所述 表面的第一不平整部升角和第二不平整部升角，其中所述不平整部被構(gòu)造和設(shè) 置成提供大于或小于1的固位力比率(f3/f2)，所述固位力比率(f3/f2)由下式?jīng)Q定f3/ f2=sin(co3 +1/2Ae0)/sin(co2+1/2Ae0)其中斷是所述第一不平整部升角的度數(shù)，C03是所述第二不平整部升角的度數(shù)，并且Aeo= (e^-^o)，其中6a,。是與所述表面接觸的流體的實(shí)際前進(jìn)接 觸角的度數(shù)，er，o是所述表面上的流體的實(shí)際后退接觸角的度數(shù)。
12. 如權(quán)利要求11所述的工藝，其中所述不平整部的設(shè)置采用光刻工藝。
13. 如權(quán)利要求11所述的工藝，其中所述不平整部的設(shè)置采用的工藝選自納米加工、微壓印、微接觸印刷、自組裝金屬膠體單層、原子力顯微鏡納米加 工、溶膠-凝膠成形、自組裝單層有序圖案、化學(xué)蝕刻、溶膠-凝膠壓印、膠體 油墨印刷和在所述基部上設(shè)置平行碳納米管層中的一種。
14. 一種包括各向異性潤(rùn)濕表面的流體處理裝置，其上具有多個(gè)不對(duì)稱的、形狀基本一致的不平整部，各不平整部界定有相對(duì)于所述基部的第一不平整部 升角和反向的第二不平整部升角，所述不平整部設(shè)置成提供大于或小于1的固位力比率(f3/f2)，所述固位力比率(f3/f2)由下式?jīng)Q定f3/ f2=sin(co3 +1/2A90)/sin( 2+1/2Ae0)其中斷是所述第一不平整部升角的度數(shù)，(03是所述第二不平整部升角的度數(shù)，并且Ae。= (ea,Q-er,Q)，其中e^是與所述表面接觸的流體的實(shí)際前進(jìn)接 觸角的度數(shù)，e^是所述表面上的流體的實(shí)際后退接觸角的度數(shù)。
15. 如權(quán)利要求14所述的流體處理裝置，其中所述流體處理裝置是管狀的。
16. 如權(quán)利要求14所述的流體處理裝置，其中所述流體處理裝置是閥。
17. 如權(quán)利要求14所述的流體處理裝置，其中所述流體處理裝置是微流體 裝置。
18. 如權(quán)利要求1所述的流體處理裝置，其中所述流體處理裝置是燃料電 池組件。
19. 一種清洗流體處理裝置的方法，包括提供具有各向異性潤(rùn)濕表面的流體處理裝置，所述各向異性潤(rùn)濕表面包括 其上具有多個(gè)不對(duì)稱的、形狀基本一致的不平整部的基部，各不平整部界定有相對(duì)于所述基部的第一不平整部升角和反向的第二不平整部升角，所述不平整 部設(shè)置成提供大于或小于1的固位力比率(f3/f2)，所述固位力比率(f3/f2) 由下式?jīng)Q定f3/ f2=sin(co3 +1/2A90)/sin(co2+1/2A90)其中C02是所述第一不平整部升角的度數(shù)，C03是所述第二不平整部升角的度數(shù)，并且(e^-e^)，其中e"是與所述各向異性潤(rùn)濕表面接觸的流體 的實(shí)際前進(jìn)接觸角的度數(shù)，er,o是所述各向異性潤(rùn)濕表面上的流體的實(shí)際后退接 觸角的度數(shù)；以及將所述各向異性潤(rùn)濕表面與所述流體相接觸。 20.如權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括施加一個(gè)力給所述流體處理裝 置或所述流體，以使所述流體在各向異性潤(rùn)濕表面上移動(dòng)。
全文摘要
一種具有各向異性潤(rùn)濕表面的流體處理裝置，包括其上具有多個(gè)不對(duì)稱的、形狀基本一致的不平整部的基部。各不平整部具有相對(duì)于基部的第一不平整部升角和第二不平整部升角。不平整部被構(gòu)造成提供大于或小于1的期望固位力比率(f₁/f₂)，該固位力比率(f₃/f₂)由第一粗糙部升角和第二粗糙部升角之間的不對(duì)稱引起，由公式f₃/f₂=sin(ω₃+1/2Δθ₀)/sin(ω₂+1/2Δθ₀)決定。
文檔編號(hào)F15D1/04GK101300702SQ200680041263
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者查爾斯·W·艾克斯特德, 邁克爾·萊特 申請(qǐng)人:安格斯公司