專(zhuān)利名稱(chēng)：制造具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體的方法和使用該同種方法制造的超疏水管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體的方法和使 用該同種方法制造的超疏水流體輸送管。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及以下 一種制造具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體的方法和使用此方法制造的 超疏水流體輸送管，在該方法中通過(guò)使用金屬體表面處理、復(fù)型過(guò)程
(replication process )和聚合物粘連現(xiàn)象對(duì)表面進(jìn)行處理，形成一 超疏水固態(tài)主體，以提高流體輸送效率和防止雜質(zhì)在管中堆積。
背景技術(shù)：
通常，由金屬或聚合物形成的固態(tài)主體表面具有固有表面能，該 表面能通過(guò)液體材料與固態(tài)主體材料接觸時(shí)固態(tài)主體與液體之間的接 觸角顯示。當(dāng)接觸角小于90。時(shí)，顯示出其中球形水滴散失在固態(tài)主 體表面并濕潤(rùn)該表面的親水性。另外，當(dāng)接觸角大于90。時(shí)，顯示出 其中球形水滴保持在固態(tài)主體表面并在該表面跑動(dòng)的疏水性。疏水性 的一個(gè)例子是，水滴在荷葉表面跑動(dòng)而不濕潤(rùn)葉子。
進(jìn)一步，當(dāng)對(duì)固態(tài)主體表面進(jìn)行處理以具有微小突起和凹陷時(shí)， 該表面的接觸角就會(huì)改變。即，經(jīng)過(guò)表面處理后，接觸角小于90。的 親水表面的親水性可能增加，接觸角大于90。的疏水表面的疏水性可 能增加。固態(tài)主體的疏水表面可以不同的方式應(yīng)用如下。疏水表面可 用于空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器來(lái)增強(qiáng)冷凝效能。當(dāng)疏水表面應(yīng)用于飲料罐時(shí)， 罐中殘余可全部被移除從而簡(jiǎn)化罐的回收處理。還有，當(dāng)疏水表面應(yīng) 用于車(chē)輛風(fēng)窗玻璃時(shí)，當(dāng)車(chē)內(nèi)溫度和車(chē)外溫度不同時(shí)其可以防止風(fēng)窗 玻璃蒙上水汽。當(dāng)疏水表面應(yīng)用于船舶時(shí)，使用相同動(dòng)力的船舶可以 具有更大推進(jìn)力。另外，當(dāng)疏水表面應(yīng)用于碟形天線時(shí)，其可防止碟 形天線的表面被雪覆蓋。當(dāng)疏水表面應(yīng)用于供應(yīng)管道時(shí)，能提高流體 輸送率和流體輸送速度。相應(yīng)地，由于這樣的管道不會(huì)被雜質(zhì)阻塞， 所以膽固醇不會(huì)在人造血管中堆積，管道內(nèi)側(cè)不會(huì)被腐蝕并且管內(nèi)的水不會(huì)被污染。此外，由于水流率增大，泵的效率也提高。此外，當(dāng)
上述特征應(yīng)用于芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on—a-chip)的微通道時(shí)，通道中 的流體可凈皮適當(dāng)?shù)剌斔汀?br> 然而，為特定目的而改變固態(tài)主體表面接觸角的技術(shù)依賴(lài)于應(yīng)用 半導(dǎo)體制造技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝。因此，此技術(shù)通常用作一 種在固態(tài)主體表面制造納米級(jí)突起和凹陷的方法。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 工藝是一種應(yīng)用了半導(dǎo)體技術(shù)的先進(jìn)機(jī)械工程技術(shù)。然而，半導(dǎo)體工 藝使用的設(shè)備非常昂貴。
為了在固態(tài)金屬體表面形成納米級(jí)的突起和凹陷，需要進(jìn)行無(wú)法 在普通工作環(huán)境下操作的多種處理，例如金屬表面的氧化處理、應(yīng)用 恒溫恒定電壓的處理，以及使用特殊溶液進(jìn)行氧化和蝕刻的處理。也 就是說(shuō)，為了進(jìn)行這些處理，需要特別設(shè)計(jì)的凈化室以及需要各種執(zhí) 行處理的昂貴設(shè)備。
此外，由于半導(dǎo)體工藝的局限， 一個(gè)大的表面無(wú)法一次處理完。 如上所述，根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)，處理是非常復(fù)雜的，且難以大量制造產(chǎn)品。 此外，制造產(chǎn)品的成本也非常高。因此，傳統(tǒng)4支術(shù)難以應(yīng)用。
此背景部分所公開(kāi)的上述信息僅用于加深對(duì)本發(fā)明背景的理解， 因此其可能含有不構(gòu)成本領(lǐng)域普通技術(shù)領(lǐng)域人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信 息。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題
本發(fā)明致力于提供以下一種制造具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體 的方法和使用此方法制造的超疏水流體輸送管，在該方法中通過(guò)使用 金屬體表面處理、復(fù)型過(guò)程和聚合物粘附現(xiàn)象對(duì)表面進(jìn)行處理，形成 一超疏水固態(tài)主體，以提高流體輸送效率和防止雜質(zhì)在管中堆積。
技術(shù)方案
本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施方案提供一種具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的超疏 水流體輸送管。這種超疏水流體輸送管包括一個(gè)導(dǎo)流器和一個(gè)固態(tài)主 體，其中導(dǎo)流器引導(dǎo)流體。所述固態(tài)主體設(shè)置在導(dǎo)流器的流體接觸表 面并具有微米級(jí)不均勻度和具有納米級(jí)直徑的突起。這里，所述固態(tài)主體包括基體和表面結(jié)構(gòu)。所述基體設(shè)置在導(dǎo)流 器的流體接觸表面，所述表面結(jié)構(gòu)具有微米級(jí)不均勻度，該微米級(jí)不
均勻度由多個(gè)群聚團(tuán)(bunch)形成，這些群聚團(tuán)由多個(gè)形成于基體上 并且具有納米級(jí)直徑的相鄰?fù)黄鹦纬伞?br> 微米級(jí)不均勻度由部分地相互粘連的相鄰?fù)黄饦?gòu)成。
此外，所述固態(tài)主體可包括基體和超疏水表面結(jié)構(gòu)。所述基體形 成在導(dǎo)流器的流體接觸表面并且在表面的至少一部分上具有微米級(jí)突 起和凹陷。所述超疏水表面結(jié)構(gòu)包括多個(gè)分別具有納米級(jí)直徑并且沿 著基體的微米級(jí)突起和凹陷設(shè)置的多個(gè)突起。
分別具有納米級(jí)直徑的突起由非潤(rùn)濕聚合物材料(non- wetting polymer material )形成。
所述非潤(rùn)濕聚合物材料選自聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共 聚物(f luorinated ethylene propylene copolymer ) (FEP)、 過(guò)氟 烷氧基(perf luoroalkoxy ) (PFA)和它們的組合。
所述導(dǎo)流器被成形為用于引導(dǎo)流體的管子。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案提供一種制造具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固 態(tài)主體的方法。在該方法中，金屬體表面通過(guò)陽(yáng)極氧化過(guò)程形成許多 納米級(jí)孔，通過(guò)將該設(shè)有納米級(jí)孔的金屬體浸沒(méi)在一種非潤(rùn)濕聚合物 材料中并固化該非潤(rùn)濕聚合物材料形成復(fù)型，通過(guò)從復(fù)型移除金屬體 和陽(yáng)極氧化物形成具有超疏水表面的固態(tài)主體，該固態(tài)主體被設(shè)置到 用于引導(dǎo)流體的導(dǎo)流器的流體接觸表面。
所述復(fù)型具有許多突起，這些突起由那些填充在所述金屬體內(nèi)形 成的所述納米級(jí)孔內(nèi)的所述非潤(rùn)濕聚合物材料負(fù)性復(fù)制(negatively repl icate )而成
所述突起由相鄰?fù)黄鸩糠值叵嗷フ尺B而形成許多微米級(jí)群聚團(tuán)。
所述非潤(rùn)濕聚合物材料選自聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共 聚物(FEP)、過(guò)氟烷氧基(PFA)、和它們的組合。
所述固態(tài)主體具有柔性特征從而使它可應(yīng)用到導(dǎo)流器的曲面。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例實(shí)施方案的具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的超疏水流體輸送管的橫截面視圖。
圖2A至圖2F是表示根據(jù)本發(fā)明的第一示例實(shí)施方案的通過(guò)加 工超疏水表面來(lái)制造固態(tài)主體的方法的示意圖。
圖3是使用顆粒噴射裝置而進(jìn)行的微米級(jí)突起和凹陷的加工操作 示意圖。
圖4是具有微米級(jí)突起和凹陷的金屬體的立體圖。 圖5是示出了陽(yáng)極氧化處理過(guò)程的示意圖。
圖6是示出了在圖5中的陽(yáng)極氧化處理過(guò)程之前和之后的狀態(tài)的 俯#見(jiàn)圖和側(cè)視圖。
圖7是示出了被陽(yáng)極氧化以具有微米級(jí)突起和凹陷的金屬體表面 的示意圖。
圖8A和圖8B是具有由陽(yáng)極氧化過(guò)程所形成的納米級(jí)孔的金屬體 表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明第一示例實(shí)施方案的固態(tài)主體的親水性 實(shí)驗(yàn)示意圖。
圖10A是應(yīng)用了根據(jù)本發(fā)明第一示例實(shí)施方案的固態(tài)主體的流體 供給管的示意圖。
圖IOB是示出了傳統(tǒng)管路中流體流動(dòng)的示意圖。
圖11A是示出了應(yīng)用了根據(jù)本發(fā)明第一示例實(shí)施方案的固態(tài)主體
的管中的雜質(zhì)流動(dòng)的示意圖。
圖IIB是傳統(tǒng)管路中雜質(zhì)流動(dòng)的示意圖。
圖12是示出使用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例實(shí)施方案的固態(tài)主體的輸 油管系統(tǒng)的示意圖。
圖13是示出了使用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例實(shí)施方案的固態(tài)主體的 芯片實(shí)驗(yàn)室的示意圖。
圖14A至圖14D是示出了根據(jù)本發(fā)明第二示例實(shí)施方案的通過(guò)加 工超疏水表面來(lái)制造固態(tài)主體的方法的示意圖。
圖15A和圖15B是具有超疏水表面的固態(tài)主體的掃描電子顯微鏡 (SEM)圖像，該超疏水表面利用由范德瓦爾斯力產(chǎn)生的粘連現(xiàn)象形成。
圖16是根據(jù)本發(fā)明第二示例實(shí)施方案的固態(tài)主體表面與液體的 接觸角的照片。<附圖中指示主要元件的參考數(shù)字的說(shuō)明>
10...導(dǎo)流器 20...固態(tài)主體 30...顆粒噴射裝置 31...噴嘴 33...金屬體 35...微細(xì)顆粒 37...微米級(jí)突起和凹陷 39...納米級(jí)孔
40...陽(yáng)極氧化設(shè)備 50...水供給管 61...輸油管 63...增壓設(shè)備 70...芯片實(shí)驗(yàn)室
最佳實(shí)施方式
在下面的詳細(xì)說(shuō)明中，將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方案 的具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體的制造方法和使用這種制造方法的 超疏水流體輸送管。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所認(rèn)識(shí)到的，所描述的各實(shí)施 方案可以以各種不同方式改型，所有這些改型都不偏離本發(fā)明的精神 或范圍。
在說(shuō)明書(shū)全文中，微米級(jí)的范圍是1 jLim至1000 pm內(nèi)，納米級(jí)的 范圍是lmn至lOOOnm內(nèi)。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例實(shí)施方案的具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的超 疏水流體輸送管的橫截面視圖。
如圖所示，根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方案的具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的管 100,包括一個(gè)用于引導(dǎo)流體的導(dǎo)流器10和一個(gè)固態(tài)主體20，該固態(tài)
主體置于導(dǎo)流器10的流體接觸表面上并具有雙尺度結(jié)構(gòu)，該雙尺度結(jié) 構(gòu)具有微米級(jí)不均勻度和納米級(jí)突起。
導(dǎo)流器10被設(shè)置用于引導(dǎo)流體。此外，導(dǎo)流器10可以不同的方 式用作水供給管、人造血管、或輸油管。固態(tài)主體20被設(shè)置于導(dǎo)流器 10的流體接觸表面。
圖2A至圖2F是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一示例實(shí)施方案的通過(guò)加 工超疏水表面來(lái)制造固態(tài)主體的方法的示意圖。
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明第一示例實(shí)施方案的固態(tài)主體20的制造方法。
首先，將顆粒噴射裝置30的噴嘴31定位為面向金屬體33的表面
33a。
接著，驅(qū)動(dòng)顆粒噴射裝置30將微細(xì)顆粒35 (例如具有微米直徑 的顆粒)噴射到金屬體33的表面33a。如圖3所示，顆粒噴射裝置30 以預(yù)定的速度和壓力將微細(xì)顆粒35噴射到金屬體33的表面33a，使 ;微細(xì)顆粒35撞擊表面33a。如圖2B所示，當(dāng)孩i:細(xì)顆粒35撞擊金屬體 33的表面33a時(shí)，金屬體33的表面33a接收沖擊能，從而使金屬體 33的表面33a的形狀變形。用于噴射砂粒的噴砂機(jī)可作為顆粒噴射裝 置30,來(lái)噴射諸如金屬球而非砂、粒等的微細(xì)顆粒。鍋、鋼或銅板可用 作金屬體。通過(guò)驅(qū)動(dòng)顆粒噴霧裝置30在金屬體33的表面形成微米級(jí) 突起和凹陷。
圖4是具有微米級(jí)突起和凹陷的金屬體的立體圖。如圖所示，在 其表面上具有微米級(jí)突起和凹陷37的金屬體33中，該微米級(jí)突起和 凹陷37 (即突起37a的高度、凹陷37b的深度、或在突起37a之間的 距離)可根據(jù)噴射速度、噴射壓力以及微細(xì)顆粒而變化，而噴射速度、 噴射壓力以及微細(xì)顆?？捎妙A(yù)定值調(diào)整。
除了超疏水材料之外，固態(tài)材料例如金屬或聚合物等通常為接觸 角小于90°的親水材料。當(dāng)該親水材料的表面通過(guò)根據(jù)本發(fā)明示例實(shí) 施方案的表面處理方法而加工為具有微米級(jí)突起和凹陷37時(shí)，接觸角 減小，親水性增強(qiáng)。
接下來(lái)，如圖2C所示，在具有微米級(jí)突起和凹陷37的金屬體33 的表面上進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理。由于具有納米直徑的微細(xì)孔39形成在金 屬體33的表面，因此微米級(jí)突起和凹陷37與納米直徑的微細(xì)孔39形 成在金屬體33的表面。更詳細(xì)地，金屬體33浸沒(méi)在電解質(zhì)溶液43中， 陽(yáng)極施加到金屬體33b，陰極施加到金屬體33c。因此，作為氧化層的 氧化鋁形成在金屬體33的表面，以及陽(yáng)極氧化部分34形成在金屬體 33的表面。由于通過(guò)陽(yáng)極氧化過(guò)程使微米級(jí)突起和凹陷37與納米直 徑的微細(xì)孔39形成在金屬體33的表面，因此可以形成具有微米級(jí)突 起和凹陷的表面。圖8A和8B為具有通過(guò)陽(yáng)極氧化過(guò)程而形成的納米 級(jí)孔39的金屬體33表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。接著，金屬體33浸沒(méi)在超疏水材料35中，超疏水材料35如圖 2D所示被固化。相應(yīng)地，由于超疏水材料35如圖2E所示被固化，因 此形成疏水聚合物復(fù)型(replica) 36。即，當(dāng)疏水聚合物材料35被 固化同時(shí)疏水聚合物材料圍繞在金屬體33側(cè)表面設(shè)置時(shí)，可以產(chǎn)生具 有對(duì)應(yīng)于金屬體33表面的陰極形狀表面的疏水聚合物復(fù)型36。超疏 水材料35可由聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)和過(guò)氟 烷氧基(PFA)中的至少一種材料形成。
接著，如圖2F所示，陽(yáng)極氧化部分34和金屬體33從疏水聚合物 復(fù)型36的表面被移除。當(dāng)薄金屬體由鋁形成以及從而陽(yáng)極氧化部分為 氧化鋁時(shí)，金屬體和氧化鋁可通過(guò)濕式蝕刻工藝^1移除。相應(yīng)地，由 于在疏水聚合物復(fù)型36的表面上獲得金屬體33的表面形狀的復(fù)制， 因此就形成了其表面具有最小親水性的疏水聚合物復(fù)型36。
疏水聚合物復(fù)型36表面有許多其直徑與那些所述微米級(jí)突起和 凹陷以及納米級(jí)孔的直徑相同的突起36a。更詳細(xì)地，疏水聚合物復(fù) 型36包括一個(gè)基體36b，以及多個(gè)突起36a，在該基體中微米級(jí)突起 和凹陷形成在基體表面的至少一部分上，多個(gè)突起36a沿著基體36b 的微米級(jí)突起和凹陷而形成，具有納米直徑。突起36a由疏水聚合物 材料形成。圖8A和圖8B是具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體33的掃描 電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖9是示出了通過(guò)使用疏水聚合物溶液的疏水聚合物復(fù)型的親水 性實(shí)驗(yàn)的示意圖。如圖所示，聚合物復(fù)型36的表面由于形成了微米級(jí) 突起和凹陷以及納米級(jí)突起，而具有大于165°的接觸角。在這種情 況下，流體在未處理過(guò)的固態(tài)材料表面上的接觸角為83° ，因此聚合 物復(fù)型36的表面具有超疏水性。
圖IOA是應(yīng)用了固態(tài)主體20的水供給管50的示意圖。
如圖所示，根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方案的固態(tài)主體20被成形為薄膜 形狀并置于水供給管50的流體接觸表面。由于固態(tài)主體20具有超疏 水特性，因此水供給管50的內(nèi)表面處于光滑狀態(tài)，從而流體H在整 個(gè)直徑以一致的速度流動(dòng)，如圖10A所示。然而，如圖10B所示，由 于傳統(tǒng)水供給管50a內(nèi)表面有阻力，流體51a在水供給管50a的中間 流得更快。即，當(dāng)對(duì)比傳統(tǒng)水供給管50a和使用根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方案的固態(tài)主體20的水供給管50時(shí)，水供給管50在流體接觸表面具 有超疏水性，流體在水供給管50的內(nèi)表面以一致的速度流動(dòng)。相應(yīng)地， 在根據(jù)本發(fā)明第 一示例實(shí)施方案的水供給管中，由于流經(jīng)其中各截面 的流體流量增加，因此效率提高。固態(tài)主體20要求具有柔性特征從而 可被應(yīng)用到流體在其中流動(dòng)的水供給管。
圖11A是示出應(yīng)用了根據(jù)本發(fā)明第一示例實(shí)施方案的固態(tài)主體的 管中的雜質(zhì)流動(dòng)的示意圖，圖IIB是示出了雜質(zhì)在傳統(tǒng)管路中流動(dòng)的 示意圖。
如圖所示，除流體51外，還有雜質(zhì)53在傳統(tǒng)水供給管和人造血 管中流動(dòng)。即，流體中的雜質(zhì)53和由侵蝕管所產(chǎn)生的雜質(zhì)53與流體 一起流動(dòng)，圖11B所示，雜質(zhì)53由于傳統(tǒng)水供給管50a內(nèi)表面的阻力 而堆積，因此流體輸送效率降低。然而，如圖IIA所示，由于使用根 據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方案的固態(tài)主體20的管的內(nèi)表面具有超疏水性，因 此雜質(zhì)不會(huì)堆積，流體流暢地輸送。此外，由于根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施 方案的固態(tài)主體20具有防侵蝕的優(yōu)良特性，因此防止了所述管被侵蝕 以及從而防止產(chǎn)生附加雜質(zhì)，從而可以維持對(duì)環(huán)境友好的管線。
圖12是示出了應(yīng)用了所述固態(tài)主體的輸油管系統(tǒng)的示意圖。
如圖所示，增壓設(shè)備63設(shè)置于輸油管61中， 一個(gè)增壓設(shè)備63用 于將在輸油管61中的流體輸送到后續(xù)增壓設(shè)備63。通過(guò)考慮由輸油 管61內(nèi)表面的摩擦引起的壓力損失而確定增壓設(shè)備63之間的距離。 換言之，由于增壓設(shè)備63之間的距離隨著輸油管61內(nèi)表面和流體之 間的摩擦的減小而增加，增壓設(shè)備63的數(shù)量可以減少。由于傳統(tǒng)輸油 管的內(nèi)表面不處于超疏水的光滑狀態(tài)，因此摩擦引起的壓力損失相當(dāng) 大。然而，由于使用根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方案的固態(tài)主體20的管的內(nèi) 表面處于超疏水的光滑狀態(tài)，因此可以減小由摩擦引起的壓力損失， 流體輸送速率可提高。
圖13是示出使用了根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方案的固態(tài)主體的芯片 實(shí)驗(yàn)室的示意圖。芯片實(shí)驗(yàn)室70對(duì)流體進(jìn)行分析，該芯片實(shí)驗(yàn)室是一 種通過(guò)將各種分析所需的設(shè)備集成到一個(gè)預(yù)定尺寸的芯片上而形成的 化學(xué)微工藝。微尺寸通道71形成于芯片實(shí)驗(yàn)室70中用來(lái)控制流體流 動(dòng)。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方案的固態(tài)主體應(yīng)用于微尺寸通道71的內(nèi)表面時(shí)，流體在通道71中的流動(dòng)更適當(dāng)，因而可提高流體分析效率。
圖14A至圖14D是示出根據(jù)本發(fā)明第二示例實(shí)施方案的通過(guò)處理 超疏水表面來(lái)制造固態(tài)主體的方法的示意圖。在圖1至圖13中，相同 的參考數(shù)字指示相同的部分。
如圖所示，根據(jù)本發(fā)明第二示例實(shí)施方案的固態(tài)主體80包括設(shè)置 于導(dǎo)流器10的流體接觸表面的一個(gè)基體81,和在基體81上的具有納 米直徑的多個(gè)突起83。所述多個(gè)突起83組合而形成微米尺寸的突起。
根據(jù)本發(fā)明第二示例實(shí)施方案的固態(tài)主體80的制造方法現(xiàn)在將 參考圖14A至14D說(shuō)明。
首先，被制成如圖14A所示的薄板形狀的金屬體85置于陽(yáng)極氧化 設(shè)備40的空間中。金屬體85被置于陽(yáng)極氧化設(shè)備40的電解質(zhì)溶液 43中。
接著，通過(guò)驅(qū)動(dòng)陽(yáng)極氧化設(shè)備40，如圖14B所示，在金屬體85 的表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化。
然后，將陽(yáng)極氧化后的金屬體85置于超疏水聚合物溶液35中。 隨后，當(dāng)圍繞在金屬體85周?chē)某杷酆衔锶芤罕还袒瘯r(shí)，如圖 14C所示形成超疏水聚合物復(fù)型86。
如圖14D所示，陽(yáng)極氧化部分82和金屬體85從疏水聚合物復(fù)型 86的表面被移除。當(dāng)金屬體85由鋁形成以及從而陽(yáng)極氧化部分為氧 化鋁時(shí)，金屬體和氧化鋁可通過(guò)濕式蝕刻方法移除。相應(yīng)地，由于在 疏水聚合物復(fù)型86的表面上獲得金屬體80的表面形狀的復(fù)制，因此 能夠形成具有最小可濕性的超疏水表面的聚合物固態(tài)主體80。
聚合物固態(tài)主體80包括直徑與納米級(jí)孔84的直徑相同的多個(gè)突 起83。由于突起83以納米級(jí)直徑突出，相鄰?fù)黄?3之間產(chǎn)生引力。 即，由于范德瓦爾斯力，出現(xiàn)相鄰?fù)黄?3相互粘連的現(xiàn)象，該范德瓦 爾斯力是一種當(dāng)相鄰的構(gòu)件之間的距離非常短時(shí)所產(chǎn)生的引力。通過(guò) 粘連現(xiàn)象，聚合物固態(tài)主體80的突起83形成作為整體而穩(wěn)定下來(lái)的 多個(gè)群聚團(tuán)。由此，可以獲得具有由納米級(jí)突起形成的微米級(jí)表面的 聚合物固態(tài)主體。
圖15A和圖15B是具有超疏水表面的固態(tài)主體的掃描電子顯微鏡 (SEM)圖像，該超疏水表面借助于由范德瓦爾斯力引起的粘連現(xiàn)象而形成。如圖所示，可注意到突起83在聚合物固態(tài)主體80表面上互相粘 連并且不規(guī)則地穩(wěn)定下來(lái)。
通過(guò)結(jié)構(gòu)上的表面處理而非化學(xué)涂層處理，具有上述表面結(jié)構(gòu)的 固態(tài)主體80具有最小可濕性。當(dāng)水滴施加到固態(tài)主體80的表面并且 測(cè)量該表面與水滴之間的接觸角時(shí)，可注意到，如圖16所示，接觸角 明顯增加，最高到160° 。通常，未經(jīng)處理的固態(tài)主體的表面與流體 點(diǎn)滴之間的接觸角為約83° 。因此，根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方案，可注 意到，由于接觸角顯著增加，因此該固態(tài)主體表面具有可濕性最小的 超疏水性。
與根據(jù)本發(fā)明第一示例實(shí)施方案的固態(tài)主體20相類(lèi)似的方式， 根據(jù)本發(fā)明第二示例實(shí)施方案的固態(tài)主體80可以以不同的方式應(yīng)用 于水供給管、人造血管或輸油管，這些在前面已經(jīng)說(shuō)明，因而略去對(duì) 其詳細(xì)的描述。
雖然本發(fā)明結(jié)合當(dāng)前認(rèn)為可行的示例實(shí)施方案進(jìn)行說(shuō)明，可理解 的是，本發(fā)明并不局限于所述的公開(kāi)實(shí)施方案，而是相反地意圖涵蓋 在所附的權(quán)利要求書(shū)包括的精神和范圍之內(nèi)的各種變化和等同配置。
根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方案的一種具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體 的制造方法和使用該方法制得的超疏水流體輸送管具有以下效果。
首先，通過(guò)一種將設(shè)有小孔的金屬體浸沒(méi)到非潤(rùn)濕材料中以及固 化該非潤(rùn)濕材料的過(guò)程來(lái)進(jìn)行復(fù)型加工——其中所述小孔以陽(yáng)極氧化 方法形成，可以簡(jiǎn)單和容易地制得復(fù)型。從而利用該復(fù)型可容易地制 得具有超疏水表面的固態(tài)主體，從而降低生產(chǎn)成本。
其次，由于具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體被置于流體穿過(guò)其流 動(dòng)的管的內(nèi)表面，雜質(zhì)不會(huì)在管內(nèi)堆積，防止了管的內(nèi)表面被侵蝕， 且流體輸送速率增加。
權(quán)利要求
1.一種具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的超疏水流體輸送管，該超疏水流體輸送管包括一個(gè)導(dǎo)流器，用于引導(dǎo)流體；和一個(gè)固態(tài)主體，其設(shè)置在所述導(dǎo)流器的流體接觸表面并具有微米級(jí)不均勻度和具有納米級(jí)直徑的突起。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的超疏水流體輸送管，其中所述固態(tài)主體包括 一個(gè)基體，其設(shè)置在所述導(dǎo)流器的流體接觸表面；和 一種表面結(jié)構(gòu)，其具有微米級(jí)不均勻度，且該微米級(jí)不均勻度由多個(gè)群聚團(tuán)形成，這些群聚團(tuán)由多個(gè)形成在基體上并且具有納米級(jí)直 徑的相鄰?fù)黄鹦纬伞?br> 3. 根據(jù)權(quán)利要求2的超疏水流體輸送管，其中所述微米級(jí)不均勻 度由部分地相互粘連的所述相鄰?fù)黄饦?gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的超疏水流體輸送管，其中所述固態(tài)主體包括一個(gè)基體，其形成在所述導(dǎo)流器的流體接觸表面并且在表面的至 少一部分上具有微米級(jí)突起和凹陷；和一種超疏水表面結(jié)構(gòu)，其包括多個(gè)突起，這些突起分別具有納米 級(jí)直徑并且沿著所述基體的微米級(jí)突起和凹陷設(shè)置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或4的超疏水流體輸送管，其中所述的分別具 有納米級(jí)直徑的突起由非潤(rùn)濕聚合物材料形成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的超疏水流體輸送管，其中所迷非潤(rùn)濕聚合物 材料選自聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、過(guò)氟烷氧基 (PFA)和它們的組合。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的超疏水流體輸送管，其中所述導(dǎo)流器被成形 為用于引導(dǎo)流體的管。
8. —種制造具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體的方法，該方法包括 通過(guò)陽(yáng)極氧化過(guò)程在金屬體表面形成許多納米級(jí)孔； 通過(guò)將設(shè)有納米級(jí)孔的所述金屬體浸沒(méi)在一種非潤(rùn)濕聚合物材料中并固化所述非潤(rùn)濕聚合物材料形成復(fù)型；通過(guò)從復(fù)型移除金屬體和陽(yáng)極氧化物形成具有超疏水表面的所述 固態(tài)主體；和將所述固態(tài)主體設(shè)置到用于引導(dǎo)流體的導(dǎo)流器的流體接觸表面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述復(fù)型具有許多突起，這些突 起由那些填充在所述金屬體內(nèi)形成的所述納米級(jí)孔內(nèi)的所述非潤(rùn)濕聚 合物材料負(fù)性復(fù)制而成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述突起由相鄰?fù)黄鸩糠值叵嗷?粘連而形成許多微米級(jí)群聚團(tuán)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述非潤(rùn)濕聚合物材料選自聚四 氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、過(guò)氟烷氧基(PFA)和它們 的組合。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述固態(tài)主體具有柔性特征從而 可被應(yīng)用到所述導(dǎo)流器的曲面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體的制造方法和使用此方法制造的超疏水流體輸送管，該種超疏水表面結(jié)構(gòu)通過(guò)使用金屬體表面處理、復(fù)型處理和聚合物粘連現(xiàn)象形成，以提高流體輸送效率和防止雜質(zhì)在管中堆積。這種超疏水流體輸送管包括一個(gè)導(dǎo)流器和一個(gè)固態(tài)主體，該固態(tài)主體設(shè)置在導(dǎo)流器的流體接觸表面并且具有微米級(jí)不均勻度和納米級(jí)突起。在該方法中，金屬體表面通過(guò)陽(yáng)極氧化過(guò)程形成許多納米級(jí)孔，通過(guò)將該設(shè)有納米級(jí)孔的金屬體浸在一種非潤(rùn)濕聚合物材料中并固化該非潤(rùn)濕聚合物材料形成復(fù)型，通過(guò)從復(fù)型移除金屬體和陽(yáng)極氧化物形成具有超疏水表面結(jié)構(gòu)的固態(tài)主體，該固態(tài)主體被設(shè)置到用于引導(dǎo)流體的導(dǎo)流器的流體接觸表面。
文檔編號(hào)F16L9/00GK101553680SQ200780042283
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2007年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月21日
發(fā)明者全志勳, 孫晟儫, 崔德鉉, 文泰喆, 樸賢哲, 李尚珉, 李建弘, 李昌雨, 裵一臣, 金東顯, 金東燮, 金俊源, 黃云峰 申請(qǐng)人:浦項(xiàng)工科大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)