CN109399548A - 一种自动回复稳定超疏水状态的装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动回复稳定超疏水状态的装置及其制备方法。通过在微阵列结构的空间底部设置电极，当电解液浸润到微阵列结构沟槽底部与电极接触时，电极上将自动发生原电池反应产生气体，此过程不需要提供外部能源或控制开关。电极有两种设置方式：一种是在微阵列结构沟槽底部设置两个导线相连的两个电极，另一种是一个设置在微阵列结构沟槽底部，一个设置在电解液中并用导线连接。由原电池反应产生的气体使超疏水表面由亲水的Wenzel状态转变为疏水的Cassie状态从而自动保持稳定的超疏水性。此装置可以精确保持每一个微阵列结构的可靠疏水性且不需外界能量输入和控制，对超疏水表面的应用具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于超疏水表面领域，具体涉及一种在浸润水的微阵列结构沟槽中自动产生气体使表面微阵列结构保持超疏水性的装置及其制备方法。
背景技术
通常，表观接触角大于150°的表面称为超疏水表面。这种表面上通常都具有微米级的微阵列结构，水滴在其表面滚动阻力极小。此外，水流在其表面也极易流动，这是由于微阵列结构使水流与固体表面部分接触同时有很大比例与空气接触，这部分空气对于减小流动阻力具有很大作用。流体在固体表面的润滑性能可以由滑移长度定量描述。在超疏水表面出现之前，滑移长度从未超过1μm(由于太小而无法用于流体减阻)。而一些超疏水表面的滑移长度被证明可以达到几百微米。
超疏水表面显示出了很好的自清洁能力。但是它仍受到实验条件的限制，即在实际应用环境中很难将空气层保持很长时间。
根据超疏水表面的定义，当液体浸润到表面微阵列结构中时液体处在Wezel状态，此时超疏水表面就不再显示出超疏水性了，同时也将失去减小固-液间阻力的功能。所以应该在固-液接触表面微阵列结构中截留一部分空气，使水流与固体表面部分接触同时有很大比例与空气接触可以有效减小固-液间阻力，此时液滴处在Cassie状态。
最近，有人提出了一系列的措施，可以保持固-液间的空气层。例如，制备二级微阵列结构的方法，它可以有效提高空气层对流体压力的抵抗作用。然而这种改进措施只有在很小的流体压力(小于0.05atm)下才能起作用。并且一旦空气层被排出后这种结构将彻底失效。所以更好的措施应该是在空气层消失后还能重新恢复稳定的空气层。
美国专利申请书No.2013/0122195提出了一种具有自我调节机制的保持超疏水性的方法和装置。具体来说，仅当现存的空气丢失时，才会重新补充空气，并且不借助任何传感器或机械控制机构。这种方法可以通过电解液浸润到微阵列结构内部的水来产生气体实现。这篇专利是通过化学反应产生气体的，但是这种方法产生气体只能维持很短的时间。所以需要提出一种自我控制和自我补充气体并且可以使所产生的空气层能够保持较长时间的方法和装置。
发明内容
本发明的目的在于制备一种自动回复的稳定超疏水表面装置，在这种表面上的液体可以稳定的处在疏水的Cassie状态。
实现本发明目的的技术解决方案为：在超疏水表面微阵列结构内部设置两个相连的电极，通过电解液浸润到微阵列结构内部的水来自动产生气体，从而使超疏水表面上的液体稳定的处在疏水的Cassie状态。
一种自动回复稳定超疏水状态的装置，该装置包括：一微阵列结构，为设置在基板上，且阵列之间设有用于截留气体的空间；还包括设置在基板上用于电解液中产生气体的气体产生器，气体产生器设置在微阵列结构中用于截留气体空间的底部，且每个微阵列结构的单元均对应设有气体产生器。
进一步的，基板和阵列的的制作材料为疏水性聚四氟乙烯。
进一步的，气体产生器包括：用导线连接的一对电极，用于在电解液中产生所需气体。
进一步的，一对电极由两种电位不同的材料组成电极，该两个电极都嵌入到微阵列结构的空间底部，并用导线连接。
进一步的，一个电极嵌入到微阵列结构的空间底部中，另一个电极设置在基板外的电解液中，并用导线连接；其中嵌入到微阵列结构的空间底部的电极电位要低于设置在电解液中的电位，从而保证在微阵列结构的空间底部中产生气体。
电极可为线状排列也可为网状排列。
进一步的，微阵列结构为条纹状、圆柱状、沟槽状或脊状。
只有当电解液进入微阵列结构阵列内部时才会与电极接触并发生原电池反应产生气体。由于发生原电池反应需要电解质，当气体将电解质和电极分开时电化学反应自动停止。所以这种反应机制即提供了所需气体又可以延长装置寿命。
本发明还提出了一种制备带有电极的自动回复超疏水表面的制备方法。通过使用模具挤压成型的方法制备出基板上面的微阵列结构，且微阵列结构与基板之间具有电极。制备过程中通过挤压加热的方法使基板的材料通过电极间隙充满模具内腔，然后分离模具与基板。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)利用气体产生器中的电极结构产生气体，并且利用微阵列结构截留产生的气体，使超疏水表面上的液体一直稳定保持在疏水的状态，整个过程不需要外部提供能源或者外部控制。
(2)只有当电解液与电极接触时才会发生原电池反应产生气体，大大提高了设备的使用寿命。
附图说明
图1为超疏水表面上的液体的两种润湿状态。液体由非润湿的Cassie状态向润湿的Wenzel状态转变。
图2为本发明的两种设置电极排布的方式。(a)线状结构的电极，(b)网状结构的电极。
图3为图2A的一个截面(A-A’)视图，说明了在微阵列结构沟槽中设置的单个电极。(a)中的超疏水表面处在Cassie状态，(b)中的超疏水表面处在部分润湿状态，(c)中的镍电极与液体接触后产生气体使超疏水表面由部分润湿状态回复到Cassie状态。
图4为本发明的另一种设置电极的方式，即两种电极都嵌入微阵列结构沟槽底部并且露出顶部。(a)线状结构的电极，(b)网状结构电极。
图5是图4A的一个截面(B-B)视图，说明了在微阵列结构沟槽中设置的一对电极。(a)中的超疏水表面处在Cassie状态，(b)中的疏水表面处在部分浸润状态，(c)中的电极与液滴接触后产生气体使超疏水表面由部分浸润状态向Cassie状态转变。
图6为制备自动回复的稳定超疏水表面装置的示意图。
其中，1是第一电极、2是电解液、3是条纹状微阵列结构阵列结构、4是基板、5是导线、6是第二电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细描述。
在具有微阵列结构的超疏水表面中，通过原电池的原理自发产生气体。自发产生气体是指当某个沟槽或几个沟槽中流入电解液(如海水)时就会产生气体，如果没有电解液则不产生气体。整个过程中都不需要外界提供能量和检测电解液的装置，这种方法产生的空气层要比通过化学方法产生的空气层维持更长的时间。
本发明使超疏水表面与液体之间的空气层保持存在。在实际应用中可以减小固-液间的接触表面阻力，例如在液体中移动的固体(如船)以及在固体表面流动的液体(如管内流体)。此外，这种表面还可以抵御由水造成的生物污染。
一种自动回复稳定超疏水状态的装置，该装置包括：一微阵列结构，为设置在基板上，且阵列之间设有用于截留气体的空间；还包括设置在基板上用于电解液中产生气体的气体产生器，气体产生器设置在微阵列结构中用于截留气体空间的底部，且每个微阵列结构的单元均对应设有气体产生器。
如图1一种具有微阵列结构的超疏水表面。这种表面上的液体很容易由疏水的Cassie状态转变到Wenzel状态，从而失去疏水性。
如图2为一种自动回复的超疏水表面的俯视图。在这种结构中的第二电极6是线性结构的，微阵列结构3是基板4上面的条纹状结构。图(b)为另一种超疏水表面结构的俯视图。在这种结构中电极6是网状结构的。
如图3是图2的截面(A-A’)，它包括基板4、第二电极6、微阵列结构3组成。微阵列结构3在基板4上。微阵列结构3可以是条纹状、圆柱状、沟槽状、脊状或者随机结构。基板4可以是一种或多种材料的混合物，如果采用模具的方法的话，其中有一种材料为聚合物。微阵列结构3的高度与基板4有关，它的数值在几微米几十微米之间。微阵列结构3之间都保持一定的距离。2是一种在超疏水表面上的电解液。微阵列结构使电解液与基板之间截留了空气，由于压强的作用，气-液接触面呈半月形。微阵列结构3要有足够的高度才能避免半月形气-液接触面底部与基板4接触。
微阵列结构3的材料可能与基板4相同，也可能不同。微阵列结构3的材料可能是聚四氟乙烯或者与它性质相近的疏水材料，或者在微阵列结构3表面涂覆疏水材料。在有些情况下，微阵列结构3顶部不是疏水材料而它的内部之间是疏水的。电解液2应该是导电液体，可以是海水或具有溶解离子的水。
根据图3所示，第一电极1和第二电极6是由导线5连接的。第一电极1和第二电极6构成了在微阵列结构3之间自动产生气体的装置。值得注意的是，在第二电极6产生气体的过程中没有借助任何外部能源。第一电极1与电解液2的标准电位是不同的。当电解液2充满微阵列结构3时，电解液2、第一电极1和第二电极6构成了一个化学原电池，从而在第二电极6上可以自发产生气体。氧化还原反应要求具有一定的电势差，而在第二电极6处需要的电势差小于第一电极1处，所以会在第二电极6处产生气体而不是在第一电极1处。
超疏水表面工作过程中，要求电解液2进入到微阵列结构之间与第二电极6接触从而产生气体，至于导体1可能在微阵列结构3之间也可能不在。第二电极6产生气体需要满足三个条件：
条件1为：第一电极1的标准电位和电解液2的标准电位是不同的。
条件2为：电解液2在原电池反应中可以在合适的温度和压力下产生气体。
条件3为：电解液2与第一电极1之间的标准电位差应该大于电解液2与第二电极6之间标准电位差，从而保证在电极6上产生气体。
条件4为：电解液2与第一电极1之间的半反应过电位应该大于电解液2与第二电极6之间半反应的过电位。
当电解液2是自然界中的碱性水(如海水)时，标准电位为-0.83V，如果电解液为酸性溶液时，标准电位为0V。当电解液2确定时，第二电极6和第一电极1的的材料也就可以适当的被选取。
原电池反应产生的气体被微阵列结构3截留，当气体充满微阵列结构3之间的空隙以后会从微阵列结构3之间溢出，此时电解液进入微阵列结构3之间的空隙然后再次产生气体。图3a-3c中第二电极6是嵌入进基板4的，并且第二电极6的顶部是裸露在基板外的。第二电极6也可以嵌入进微阵列结构3中。
当电解液接触导体第二第二6时整个化学电池系统构成了“闭环”，从而产生气体，当气体充满微结3之间的沟槽时使得系统变成“开环”，此时不再产生气体。整个过程不需要额外的控制开关，从而实现自动通断的功能。
上述产生气体的方式不需要外界提供能源。值得注意的是产生气体的反应是一种原电池反应而不是纯化学反应。
图4为另一种自动回复的超疏水表面的俯视图。微阵列3是基板4上面的条纹状结构。图(a)在这种结构中第二电极6是线性结构的，图(b)中第二电极6是网状结构的。图5是图(a)的一个截面视图(B-B’)。两种结构的第二电极6或电极1都有可能嵌入到微阵列结构3的侧壁表面。反应条件与前一种超疏水表面结构完全相同。
制备方法
图6为自动回复稳定超疏水状态装置的制备过程的示意图。这个过程主要用到了成型技术，例如模压成型或印压成型技术等。
本发明的自动回复超疏水状态装置的一种可实施的制备工艺如下：
(1)如图图6(a)和(b)所示，将第二电极6或第一电极1和第二电极6放在基板4和模具8之间，此处第一电极1选择镁金属，第二电极6选择镍金属。
(2)如图图6(c)所示，通过加压和升温使基板4的材料通过第二电极6或第一电极1和第二电极6填满模具8的空隙。
(3)如图6(d)所示，将模具7与基板4分离。此时第二电极6或第一电极1和第二电极6将嵌入进基板4，并且只有顶部裸露。
图6(a)-(d)中所示基板4和微阵列结构3为同一材料，但基板4和微阵列结构3也可以为不同材料。在使用模具制备的过程中导体与模具8始终紧密相连，这样可以保证制备完成后的第一电极1和第二电极6的顶部是裸露的。
自动回复的超疏水表面用于水上交通工具的表面或管道内壁表面可以大大降低流体与固体表面的阻力，从而大大提高水上交通工具和管道运输的效率。
Claims (9)
1.一种自动回复稳定超疏水状态的装置，其特征在于，该装置包括：一微阵列结构，为设置在基板上，且阵列之间设有用于截留气体的空间；还包括设置在基板上用于电解液中产生气体的气体产生器，气体产生器设置在微阵列结构中用于截留气体空间的底部，且每个微阵列结构的单元均对应设有气体产生器。
2.根据权利要求1所述的自动回复稳定超疏水状态的装置，其特征在于，所述的基板和阵列的的制作材料为疏水性聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的自动回复稳定超疏水状态的装置，其特征在于，所述的气体产生器包括：用导线连接的一对电极，用于在电解液中产生所需气体。
4.根据权利要求3所述的自动回复稳定超疏水状态的装置，其特征在于，所述的一对电极由两种电位不同的材料组成电极，该两个电极都嵌入到微阵列结构的空间底部，并用导线连接。
5.根据权利要求3所述的自动回复稳定超疏水状态的装置，其特征在于，所述的一个电极嵌入到微阵列结构的空间底部中，另一个电极设置在基板外的电解液中，并用导线连接；其中嵌入到微阵列结构的空间底部的电极电位要低于设置在电解液中的电位，从而保证在微阵列结构的空间底部中产生气体。
6.根据权利要求3所述的自动回复稳定超疏水状态的装置，其特征在于，所述的电极可为线状排列也可为网状排列。
7.根据权利要求1所述的自动回复稳定超疏水状态的装置，其特征在于，所述的微阵列结构为条纹状、圆柱状、沟槽状或脊状。
8.一种基于权利要求1-7的自动回复稳定超疏水状态的装置的制备方法，包括：
第一，在基板上镀一层网状或线状导电电极。
第二，将模具压在基板上，加热并提供压力使基板的材料充满模具腔体内部，然后将模具与基板分离；
第三，去除挤压成型以后覆盖在电极上面的基板材料，使电极顶部裸露，制得自动回复稳定超疏水状态的装置。
9.根据权利要求8所述的自动回复稳定超疏水状态的装置的制备方法，所述的模具根据微阵列结构的具体形状为多种腔形。
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