一种自清洁的水滴单向滚动超疏水表面的制备方法

摘要

一种自清洁的水滴单向滚动超疏水表面的制备方法，步骤如下：(1)、在铝合金圆盘进行抛光处理去除表面氧化物膜得到亲水金属表面，通过化学腐蚀生成表面微纳粗糙结构；(2)采用硬脂酸进行低表面能的修饰，形成超疏水表面；(3)通过高精度纳秒激光在步骤(2)所制备的超疏水表面上标刻出亲水轨道，使得液滴在超疏水表面上沿着亲水轨道在重力作用下进行单方向滚动；本发明亲水轨道密布整个超疏水表面，间隔0.5mm的轨道排布方案在平行和垂直与轨道方向的接触角差值高达60°，最有利于液滴沿平行于轨道方向进行滚动而在垂直于轨道方向受到阻碍；同时本发明也可以采用不同曲率半径的圆弧构成的弯曲轨道，以实现不同方向的液滴滚动。

说明书

技术领域

本发明属于金属超疏水表面制备及改性优化技术领域，具体涉及一种自清洁的水滴单向滚动超疏水表面的制备方法。

技术背景

超疏水表面(接触角大于150°)可以实现水滴在表面的快速滚动和脱附，这对于表面自清洁、防结冰等具有重要意义。超疏水表面在工程中具有很多方面的应用，如减小阻力、防止表面结冰、表面自清洁等，具有极高的价值和十分广阔的应用前景，液滴在超疏水表面上的运动、引导和控制已成为各方研究和应用的热点。单向引导液滴运动，使液滴沿特定方向流动或滚动，对于自清洁表面，可以有效地把污染物颗粒带到特定的区域，这对于减少水用量，提高清洁效率具有重要的意义。

润湿性体现了表面对液滴的吸附能力，通过改变特定区域表面润湿性，从而实现特定的功能，在工程中具有广泛的应用前景。化学修饰和制造表面微纳米结构是改变润湿性的两种主要方法。前者主要通过引入亲水或疏水官能团对材料表面进行修饰，改变表面自由能，从而影响材料表面的本征接触角。后者主要是通过不同的表面结构制备方法，改变表面的粗糙度或形成微观复合表面，从而改变表征接触角。但是采用现有方式所得到定向引导结构对液滴在超疏水表面的滚动行阻力较大，或者平行方向与垂直方向滚动角差值较小，而且现有技术也缺少能够覆盖整个超疏水表面的引导结构。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种自清洁的水滴单向滚动超疏水表面的制备方法，通过密布表面的亲水轨道对液滴单向滚动进行引导，以达到其表面单向自清洁功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种自清洁的水滴单向滚动超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

(1)、在铝合金圆盘表面进行抛光处理去除表面氧化物膜，得到亲水金属表面，通过化学腐蚀生成表面微纳粗糙结构；

(2)、采用硬脂酸进行低表面能的修饰，形成超疏水表面；

(3)、通过高精度纳秒激光在步骤(2)所制备的超疏水表面上标刻出亲水轨道，使得液滴在超疏水表面上沿着亲水轨道在重力作用下进行单方向滚动。

所述的亲水轨道宽度为20μm。

所述的亲水轨道深度为30μm-50μm。

所述的亲水轨道在表面上密集覆盖的排布间隔为0.5mm，该排布间隔为水滴单向滚动超疏水表面最佳排布间隔。

所述的亲水轨道为平行线或曲线轨道。

所述的超疏水表面的粗糙微纳结构基体采用NaOH化学腐蚀的方法进行加工，具体步骤是将打磨及抛光后的铝合金圆盘置于100mL1mol/L的NaOH溶液中进行表面腐蚀，反应环境为室温，反应时间为120min。

所述的采用硬脂酸进行低表面能的修饰，具体步骤是将表面已经产生粗糙微纳结构的铝合金圆盘放入100mL 1mmol/L硬脂酸的乙醇-水溶液中，乙醇和水的体积比为1：1，密闭反应容器，保持溶液温度60℃，浸泡40h，然后将铝合金圆盘拿出至于真空干燥箱中在60℃下加热固化2小时后，使其自然冷却。

所述的通过高精度纳秒激光在步骤(2)所制备的超疏水表面上标刻出亲水轨道，具体步骤是在CAD软件中进行不同间隔直轨道或采用不同曲率半径的圆弧构成的弯曲轨道的绘制，在高精度纳秒激光标刻机下采用20％功率，83mm焦距，进行两次标刻，得到所述亲水轨道。

本发明相比于现有的发明，具有以下优点；

(1)本发明的亲水轨道结构对液滴在平行方向的滚动行为影响较小，在亲水轨道上微小液滴(如本发明实施例中采用的20μL的液滴)同样可以以较快的速度沿平行于轨道方向进行滚动。

(2)本发明提出了间隔为0.5mm的轨道排布方案最有利于液滴沿平行于轨道方向进行滚动而在垂直于轨道方向受到阻碍；在最优参数——间隔为0.5mm的轨道排布方案下，液滴在平行和垂直于亲水轨道的滚动角差值高达60°。

(3)本发明设计采用不同曲率半径的圆弧构成的弯曲轨道同样可以达到很好的引导效果。

(4)本发明中，超疏水表面采用低表面能硬脂酸修饰的方法进行加工，并使用高精度纳秒激光在超疏水表面上标刻出的亲水轨道，亲水轨道密布整个超疏水表面，使得超疏水表面液滴流动性具有整体均一性。

附图说明

图1为纳秒激光在所制备的超疏水表面上标刻出的亲水轨道。

图2为亲水轨道和超疏水表面的扫面电子显微镜照片。

图3为间距为0.5mm的亲水轨道和超疏水表面的激光共聚焦显微形貌。

图4为平行与轨道方向和垂直于轨道方向超疏水表面上接触角随轨道间距变化。

图5为平行与轨道方向和垂直于轨道方向超疏水表面上滚动角随轨道间距变化。

图6为高速摄像得到的液滴在超疏水表面沿亲水轨道滚动的照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明，但所要求权利并不仅限于此，凡是对本发明中的相关技术方案进行同义替换或者其他修改的，而没有明确区别于本方案的其他技术方案，其均为本发明所需保护的。

实施例一

本实施例包括以下步骤：

(1)在铝合金圆盘表面进行抛光处理去除表面氧化物膜，得到亲水金属表面，通过化学腐蚀生成表面微纳粗糙结构；

以直径30mm、厚度为5mm的铝合金圆盘为基体，依次使用200目、400目、800目、1000目水磨砂纸及绒布对铝合金圆盘两面进行打磨及抛光，以保证完全去除铝合金圆盘表面氧化物。完成打磨及抛光后依次使用无水乙醇、去离子水进行清洗，采用超声震荡的方法分别清洗10分钟，以保证完全去除打磨及抛光过程中产生的金属及其氧化物碎屑。

然后将上述处理完成的铝合金圆盘置于100mL 1mol/L的NaOH溶液中进行表面腐蚀，反应环境为室温，反应时间为120min。待反应结束后将铝合金圆盘取出并放入无水乙醇中超声震荡清洗，每次300秒共进行2次，然后放入去离子水中超声震荡清洗，以保证完全去除腐蚀生成的氧化铝颗粒等。

(2)采用硬脂酸进行低表面能的修饰，形成超疏水表面；

将表面已经产生粗糙微纳结构的铝合金圆盘放入100mL 1mmol/L硬脂酸的乙醇-水溶液(乙醇和水的体积比为1：1)中，密闭反应容器，保持溶液温度60℃，浸泡40h。然后将铝合金圆盘拿出至于真空干燥箱中在60℃下加热固化2小时后，使其自然冷却。完成超疏水表面的制备后，测量其表面上水的接触角为157°，滚动角小于5°。

(3)参照图1、图2和图3，通过高精度纳秒激光在步骤(2)所制备的超疏水表面上标刻出亲水轨道，使得液滴在超疏水表面上沿着亲水轨道在重力作用下进行单方向滚动。

采用纳秒激光在所制备的超疏水表面上进行亲水轨道的标刻。即在CAD软件中进行不同间隔直轨道的绘制，在高精度纳秒激光标刻机下采用20％功率，83mm焦距，进行两次标刻，得到所述亲水轨道。单条轨道宽度为20μm，使表面均匀密布同样轨道，形成水滴单向滚动超疏水表面。在液滴直径为0.1684mm(即液滴体积为15μL)时，在表面倾斜10°时其可以在重力作用下，沿轨道以较快速度自由滚下。改变相邻轨道之间的间距，分别设定相邻轨道间距为0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm。随着轨道间距增大，平行于轨道方向的液滴接触角没有明显变化，但是垂直于轨道方向的液滴接触角明显增大，如图4。然而对于滚动角，轨道间距为0.3mm时，平行和垂直方向滚动角均为90°，即液滴吸附于表面。对于0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm轨道间距的表面在平行于轨道方向滚动角明显小于垂直方向，因此更利于液滴沿轨道进行快速滚动。当轨道间距为0.5mm时，平行方向和垂直方向的滚动角差值达到最大值60°，如图5。因此，本实施例将轨道间距优化为0.5mm，从而实现超疏水表面上的液滴单向滚动，以达到其表面单向自清洁功能。

实施例二

本实施例包括以下步骤：

(1)在铝合金圆盘表面进行抛光处理去除表面氧化物膜得到亲水金属表面，通过化学腐蚀生成表面微纳粗糙结构；

以直径30mm、厚度为5mm的铝合金圆盘为基体，依次使用200目、400目、800目、1000目水磨砂纸及绒布对铝合金圆盘两面进行打磨及抛光，以保证完全去除铝合金圆盘表面氧化物。完成打磨及抛光后依次使用无水乙醇、去离子水进行清洗，采用超声震荡的方法分别清洗10分钟，以保证完全去除打磨及抛光过程中产生的金属及其氧化物碎屑。然后将上述处理完成的铝合金圆盘置于100mL 1mol/L的NaOH溶液中进行表面腐蚀，反应环境为室温，反应时间为120min。待反应结束后将铝合金圆盘取出并放入无水乙醇中超声震荡清洗，每次300秒共进行2次，然后放入去离子水中超声震荡清洗，以保证完全去除腐蚀生成的氧化铝颗粒等。

(2)采用硬脂酸进行低表面能的修饰，形成超疏水表面；

将表面已经产生粗糙微纳结构的铝合金圆盘放入100mL 1mmol/L硬脂酸的乙醇-水溶液(乙醇和水的体积比为1：1)中，密闭反应容器，保持溶液温度60℃，浸泡40h。然后将铝合金圆盘拿出至于真空干燥箱中在60℃下加热固化2小时后，使其自然冷却。完成超疏水表面的制备后，测量其表面上水的接触角为157°，滚动角小于5°。

(3)通过高精度纳秒激光在步骤(2)所制备的超疏水表面上标刻出亲水轨道，使得液滴在超疏水表面上沿着亲水轨道在重力作用下进行单方向滚动。

采用纳秒激光在所制备的超疏水表面上标刻亲水轨道。即在CAD软件中进行不同曲率半径的圆弧构成的弯曲轨道的绘制，在高精度纳秒激光标刻机下采用20％功率，83mm焦距，进行两次标刻，得到所述亲水轨道。单条轨道宽度为20μm，使表面均匀密布同样轨道，形成水滴单向滚动超疏水表面。在液滴直径为0.1684mm(即液滴体积为15μL)时，在表面倾斜10°时其可以在重力作用下，沿轨道以较快速度自由滚下，如图6。改变轨道形状，设计为采用3段不同曲率半径的圆弧构成的弯曲轨道，采用0.5mm间隔设计，同样实现引导水滴沿着弯曲轨道进行单向流动，在极快时间(约500ms)内完成25mm行程，最终实现超疏水表面上的液滴单向滚动，以达到其表面自清洁和污染颗粒收集的功能。