一種基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法。通過疏液材料與超疏液材料相結(jié)合，利用不同材料的疏水性，形成具有能量壁壘的軌道束縛液滴。在制備導(dǎo)引軌道時(shí)采用覆蓋法，對(duì)軌道的形狀、寬度及角度可調(diào)節(jié)；軌道內(nèi)的材料具有疏水性，可降低軌道的表面能，使液滴在運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生尾跡和小液滴。對(duì)待處理表面清洗并采用疏液材料通過涂覆的方式改變?yōu)槭枰罕砻?；覆蓋樣條粘貼在疏液材料表面，調(diào)節(jié)覆蓋樣條的形狀制成控制路徑。向疏液材料表面噴涂超疏液涂層，改變表面的潤(rùn)濕性；取下覆蓋樣條，形成具有潤(rùn)濕性差異的導(dǎo)引路徑；在軌道上添加液滴，施加動(dòng)力使液滴沿軌道運(yùn)動(dòng)；實(shí)現(xiàn)液滴或油滴在不同壁面的無質(zhì)量損失導(dǎo)引。
【專利說明】
一種基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及液滴行為控制領(lǐng)域，具體地說，涉及一種疏液材料與超疏液材料相結(jié)合基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的定向?qū)б椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002]液滴的行為控制作為近幾年新興的研究熱點(diǎn)，具有非常重要的工程價(jià)值。如在生物技術(shù)領(lǐng)域可用于藥液物料輸送，在航空航天領(lǐng)域可作為飛機(jī)防結(jié)冰的新思路。液滴行為的控制方式中包括利用改變介質(zhì)材料的電潤(rùn)濕來控制液滴，通過電磁場(chǎng)控制磁流體，以及改變壁面的屬性以實(shí)現(xiàn)控制液滴的目的。
[0003]現(xiàn)有的液滴控制方法多為使用電磁場(chǎng)來控制磁流體等特殊液滴的運(yùn)動(dòng)，以及通過改變電壓來改變介質(zhì)材料的電潤(rùn)濕性，以此控制液滴的運(yùn)動(dòng)。在發(fā)明專利CN 104345140 A中提出“一種磁性液滴控制裝置及磁性液滴的控制方法”，該磁性液滴控制裝置及磁性液滴的控制方法僅適用于磁流體，無法滿足對(duì)一般液滴的控制需求;在專利CN 1588090 A中涉及“一種低壓的基于表面張力的微液滴控制器件”，該微液滴控制器件主要針對(duì)于微流體的控制，且控制條件復(fù)雜;在發(fā)明專利CN 102824933 A中公開了“一種單項(xiàng)液滴輸運(yùn)的數(shù)字微流芯片電極配置”，配置擴(kuò)展了介質(zhì)電潤(rùn)濕數(shù)字微流芯片的使用功能及應(yīng)用范圍，僅適用于數(shù)字微流芯片。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的專利給液滴的行為控制提供了很多非常有價(jià)值的方法，但仍存在以下不足:
[0005](I)控制條件復(fù)雜，需要添加特殊的外力場(chǎng)才可能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引；
[0006](2)所控制的液滴比較特殊，不具有一般性。
[0007](3)采用超親水與超疏水相結(jié)合的方法，導(dǎo)致液滴出現(xiàn)較大的質(zhì)量損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的思路:通過提出的疏液材料與超疏液材料相結(jié)合的導(dǎo)引方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴在無特殊設(shè)備要求下的無質(zhì)量損失導(dǎo)引；在制備導(dǎo)引軌道時(shí)采用覆蓋法，對(duì)軌道的形狀、寬度及角度可進(jìn)行調(diào)節(jié);軌道內(nèi)的材料具有疏水性，可降低軌道的表面能，使得液滴在運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生尾跡和小液滴。對(duì)待處理表面清洗并采用疏液材料通過涂覆的方式改變?yōu)槭枰罕砻?覆蓋樣條粘貼在疏液材料表面，調(diào)節(jié)覆蓋樣條的形狀制成控制路徑;取下覆蓋樣條，形成具有潤(rùn)濕性差異的導(dǎo)引路徑;在軌道上添加液滴，施加動(dòng)力使液滴沿軌道運(yùn)動(dòng);實(shí)現(xiàn)液滴或油滴在不同壁面的無質(zhì)量損失導(dǎo)引。
[0009]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法，其特征在于包括以下步驟:
[0010]步驟1.采用無水乙醇對(duì)材料待處理表面進(jìn)行清洗，并使待處理表面干燥;待處理表面為平面或者小曲率曲面；
[0011 ]步驟2.進(jìn)行表面涂覆處理，將待處理表面使用疏液材料通過涂覆的方式改變?yōu)槭枰罕砻?，改變后表面的粗糙度?yīng)小于5nm;
[0012]步驟3.將控制路徑的覆蓋樣條粘貼在疏液表面上，通過調(diào)節(jié)覆蓋樣條的形狀制成所需路徑;覆蓋樣條的寬度取值范圍為0.2?2.0mm;
[0013]步驟4.向疏液表面噴涂超疏液涂層，以改變表面的潤(rùn)濕性;噴涂時(shí)需保證所噴涂區(qū)域的均勻度，噴涂的超疏液涂層厚度小于0.1mm；
[0014]步驟5.取下覆蓋樣條，形成具有潤(rùn)濕性差異的導(dǎo)引路徑;靜置，待超疏液涂層完全附著在基底表面后，取下覆蓋樣條；
[0015]步驟6.在軌道上添加液滴，施加驅(qū)動(dòng)力并調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力大小使液滴沿預(yù)定軌道勻速運(yùn)動(dòng);液滴的驅(qū)動(dòng)方式采用切向風(fēng)作為動(dòng)力，或重力，β角的取值范圍為0°?72°。
[0016]有益效果
[0017]本發(fā)明提出的基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn):
[0018](I)在制備導(dǎo)引軌道時(shí)采用覆蓋法，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)軌道的形狀、寬度以及角度。
[0019](2)軌道內(nèi)部的材料具有疏水性，可降低軌道的表面能，從而使得液滴在運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生尾跡或者小液滴。
[0020](3)通過軌道內(nèi)外的潤(rùn)濕性差異產(chǎn)生的能量壁皇來實(shí)現(xiàn)束縛和導(dǎo)引液滴。
[0021](4)基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法操作簡(jiǎn)便，適用范圍廣，可實(shí)現(xiàn)一般液滴或者油滴在不同壁面的無質(zhì)量損失導(dǎo)引，有效地?cái)U(kuò)大液滴的可控種類。
[0022](5)基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法對(duì)液滴的驅(qū)動(dòng)力采用流量可調(diào)的切向風(fēng)力或者重力，擴(kuò)大液滴的可導(dǎo)引場(chǎng)合。
【附圖說明】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]圖1為液滴在壁面靜態(tài)潤(rùn)濕性的示意圖。
[0025]圖2為折線型覆蓋樣條示意圖。
[0026]圖3為曲線型覆蓋樣條示意圖。
[0027]圖4為采用切向風(fēng)作為驅(qū)動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)液滴導(dǎo)引的示意圖。
[0028]圖5為使用重力作為驅(qū)動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)液滴導(dǎo)引的示意圖。
[0029]圖6為切向風(fēng)下液滴在直線軌道上運(yùn)動(dòng)的示意圖。
[0030]圖7為切向風(fēng)下液滴在直線軌道上運(yùn)動(dòng)的俯視圖。
[0031]圖中:
[0032]1.液滴2.超疏液涂層3.疏液材料4.待處理表面5.覆蓋樣條6.軌道7.處理后表面
【具體實(shí)施方式】
[0033]本實(shí)施例是一種基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法。
[0034]本實(shí)施例所依據(jù)的原理:液體與固體的潤(rùn)濕程度通常以接觸角Θ表征，它是固、液、氣三相界面處表面張力平衡的結(jié)果。在理想的固體壁面上，液滴的接觸角是由固氣、固液和氣液界面自由能決定，即γ5ι、Ysg與γgi，s表示為固體，I表示為液體，g表示為氣體，三者之間的關(guān)系可由Young方程得到:
[0035]cos0 = ( ySg-Ysi)/γ8ι (I)
[0036]式中，Θ為固體壁面上的接觸角，通過式(I)計(jì)算出液滴在固體壁面上的接觸角。
[0037]通常，當(dāng)Θ > 150°時(shí)稱為超疏液壁面，當(dāng)Θ >90°時(shí)稱為疏液壁面，當(dāng)Θ <90°時(shí)稱為親液壁面。液滴在不同表面上呈現(xiàn)不同接觸角的原因是不同材料的表面能存在差異，這種差異造成了不同表面對(duì)液滴的束縛力不同。材料的表面能越高，對(duì)液滴的束縛力越強(qiáng)。軌道內(nèi)部為疏液材料，與親水材料相比，其表面能較低，所以對(duì)液滴的束縛力會(huì)比親水材料的束縛力小，液滴在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)留下尾跡;而軌道外部為超疏液材料，具有比疏水材料更低的表面能，所以在軌道邊界上，因?yàn)楸砻婺艿牟町惗a(chǎn)生很高的能量壁皇，當(dāng)外力作用下，液滴難以克服這種能量壁皇，液滴可完全被束縛在軌道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)輸運(yùn)效果。
[0038]參閱圖1?圖7，本實(shí)施例基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法，以切向風(fēng)導(dǎo)引液滴，通過風(fēng)速范圍為2.08m/s?18.72m/s的風(fēng)洞裝置，實(shí)現(xiàn)該方法的導(dǎo)引效果；具體實(shí)施方法如下:
[0039](I)將25 X 75mm的待處理表面4使用無水乙醇清洗干凈，并使待處理表面4充分干燥；
[0040](2)將調(diào)制好的PDMS粘液3均勻涂在干凈的表面上，靜置，待PDMS氣泡完全排干凈后，在70°的溫度下加熱30min?60min至其充分凝固，形成疏水表面；
[0041](3)將寬度為0.7mm的直線型覆蓋樣條5粘貼在疏液材料表面，調(diào)節(jié)覆蓋樣條的形狀制成控制路徑；
[0042](4)使用噴槍將超疏液涂層2均勻噴涂在疏水表面上，形成超疏水表面；
[0043](5)待超疏液涂層完全干燥后，取下覆蓋樣條5，形成一個(gè)內(nèi)部疏水外部超疏水的具有潤(rùn)濕階躍的軌道6制作完成。
[0044](6)將處理后表面7制備完成的軌道6放置在風(fēng)洞內(nèi)，并在軌道6上添加體積為30yL的液滴I，施加動(dòng)力使液滴I沿軌道6運(yùn)動(dòng)。
[0045](7)調(diào)節(jié)電壓，以電壓的調(diào)節(jié)范圍為O?250V來調(diào)節(jié)風(fēng)速;將電壓快速調(diào)節(jié)至啟動(dòng)電壓以后，再緩慢地調(diào)節(jié)電壓，直到液滴I開始在軌道6上勻速運(yùn)動(dòng);實(shí)現(xiàn)液滴在不同壁面的無質(zhì)量損失導(dǎo)引。
[0046]本實(shí)施例中，利用不同材料的疏水性，將疏水和超疏水材料相結(jié)合，形成具有能量壁皇的軌道，從而有效地束縛液滴；
[0047](I)體積為30yL的液滴可沿著直線軌道作勻速運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)風(fēng)速為4.82m/s;
[0048](2)當(dāng)風(fēng)速調(diào)節(jié)得過大時(shí)，液滴則會(huì)脫軌，液滴的脫軌風(fēng)速為7.98m/s;
[0049](3)軌道與風(fēng)向之間的夾角α可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，α的取值范圍為0°?83°;
[0050](4)本實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)用的覆蓋樣條可根據(jù)需要改變形狀；
[0051](5)液滴的驅(qū)動(dòng)方式除了采用切向風(fēng)作為驅(qū)動(dòng)力，也可是重力，β角的取值范圍為
O。?72。。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于壁面潤(rùn)濕性調(diào)控液滴無質(zhì)量損失的導(dǎo)引方法，其特征在于包括以下步驟:步驟1.采用無水乙醇對(duì)材料待處理表面進(jìn)行清洗，并使待處理表面干燥；待處理表面為平面或者小曲率曲面； 步驟2.進(jìn)行表面涂覆處理，將待處理表面使用疏液材料通過涂覆的方式改變?yōu)槭枰罕砻?，改變后表面的粗糙度?yīng)小于5nm; 步驟3.將控制路徑的覆蓋樣條粘貼在疏液表面上，通過調(diào)節(jié)覆蓋樣條的形狀制成所需路徑;覆蓋樣條的寬度取值范圍為0.2?2.0mm; 步驟4.向疏液表面噴涂超疏液涂層，以改變表面的潤(rùn)濕性;噴涂時(shí)需保證所噴涂區(qū)域的均勻度，噴涂的超疏液涂層厚度小于0.1mm； 步驟5.取下覆蓋樣條，形成具有潤(rùn)濕性差異的導(dǎo)引路徑;靜置，待超疏液涂層完全附著在基底表面后，取下覆蓋樣條； 步驟6.在軌道上添加液滴，施加驅(qū)動(dòng)力并調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力大小使液滴沿預(yù)定軌道勻速運(yùn)動(dòng);液滴的驅(qū)動(dòng)方式采用切向風(fēng)作為動(dòng)力，或重力，β角的取值范圍為0°?72°。
【文檔編號(hào)】G01N35/10GK106053869SQ201610537052
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】胡海豹, 余思瀟, 宋東, 文俊, 王德政, 鮑路瑤, 張慶輝, 杜鵬
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)