一种电液束工艺加工具有高粘附微图案超疏水表面的方法

摘要

本发明属于表面处理及特种加工领域，公开了一种电液束工艺加工具有高粘附微图案超疏水表面的方法。该方法通过调整电液束工艺的主要加工参数：电解液浓度、喷射压力，喷嘴直径、加工电压、加工时间及喷嘴在加工平面的移动速度和移动轨迹，来控制微图案的形状、尺寸和粘附力。将电液束加工后的表面用去离子水超声清洗吹干后放入硬脂酸或氟硅烷乙醇溶液中修饰，取出后吹干即获得具有高粘附微图案超疏水表面。本发明具有设备简单、成本低、通用性高等优点，所加工出的高粘附微图案结构稳定，在液滴无损存贮、转移、定向运输等方面具有潜在应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于表面处理及特种加工领域，涉及一种电液束工艺加工具有高粘 附微图案超疏水表面的方法。

背景技术

接触角大于150°的表面称为超疏水表面。超疏水表面根据对水滴粘附力大 小分为低粘附超疏水表面(荷叶)和高粘附超疏水表面(玫瑰花瓣)。低粘附超 疏水表面具有优越斥水性能，在自清洁、减阻、抗结冰和油水分离等领域有重 要应用价值。与低粘附超疏水表面不同，高粘附超疏水表面在保证高接触角条 件下对水滴有较强粘附力，因此在生物化学分析等领域有潜在应用价值。受低 粘附及高粘附超疏水表面启发，低粘附超疏水表面的高粘附微图案研究受到越 来越多研究学者重视。由于粘附力及粘附位置的空间可控，这种高粘附微图案 在液滴无损存贮、无损运输等领域有广泛应用价值。

目前低粘附超疏水表面的高粘附微图案主要通过光刻、涂覆法和等离子体 处理等技术实现。例如，Hess等(Langmuir,2008,24(9):4785-4790.)通过氧等 离子体及等离子体增强化学气相沉积氟碳薄膜获得了低粘附超疏水纸表面，并 通过调控氧等离子体刻蚀条件改变超疏水纸对水滴的粘附性能。这个方法虽然 可以精确调控纸张表面对水滴的粘附性，但是工艺相对复杂，通用性低。Yuekun Lai等(AdvancedMaterials,2013,25(12):1682-1686.)在二氧化钛纳米管阵列超 疏水表面通过非接触涂覆防水酒精基墨水成功制备出高粘附性微点及线图案。 尽管上述方法简单、高效，但稳定性较差、机械强度较低，且粘附力只能通过 图案尺寸调控，粘附性能调控区间窄。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在工艺复杂、通用性低及粘附性能调控区 间窄等不足，发明了一种可加工具有高粘附微图案超疏水表面的方法，通过电 液束工艺加工具有高粘附微图案的超疏水表面。该方法成本低、简单、通用性 高，能够在不同金属基底上获得不同形状和尺寸的高粘附微图案，并可以通过 调整加工参数来调控所获得微图案的表面形貌和粗糙度，从而达到不同的粘附 效果。

本发明的技术方案是

一种电液束工艺加工具有高粘附微图案超疏水表面的方法，步骤以下：

(1)将待加工金属基体固定在可喷射导电电解液的电液束加工装置上，保 证待加工金属基体与电液束喷射方向垂直，设定与待加工金属基体表面垂直方 向为XYZ坐标系的Z轴，电液束喷嘴末端相对待加工金属基体表面的Z向间距 为0.5-5mm；所述的电液束喷嘴采用内嵌铜管的石英喷嘴，喷嘴内孔直径为80 -5000μm；所述的待加工金属基体为表面存在微观结构的超亲水基体；待加工金 属基体连接电源正极，电液束喷嘴铜管连接电源负极；

(2)通过调整电解液浓度、喷射压力、喷嘴直径、加工电压、加工时间以 及电液束喷嘴在XY平面的移动速度和移动轨迹来控制微图案的形状、尺寸和 粘附力；所述的电解液使用质量分数为1％-25％的硝酸钠或氯化钠水溶液；所述 的喷射压力为0.1-1Mpa；所述的喷嘴直径为80-5000μm；所述的加工电压为 100-1000V；所述的加工时间为1-30s；所述喷嘴的移动速度为1-1000mm/min。

(3)将电液束加工后的表面用去离子水超声清洗吹干后放入硬脂酸或氟硅 烷乙醇溶液中修饰，取出后吹干即获得具有高粘附微图案超疏水表面。

本发明的有益效果：本发明具有设备简单、成本低、通用性高等优点，所 加工出的高粘附微图案结构稳定，在液滴无损存贮、转移、定向运输等方面具 有潜在应用价值。

附图说明

图1是电液束加工方法示意图。

图2是电液束加工的高粘附微坑阵列示意图。

图3是电液束加工的高粘附圆环沟道示意图。

图4是电液束加工的高粘附半圆环沟道示意图。

图5是电液束加工的高粘附微沟道阵列示意图。

图中：1工件；2微坑；3喷嘴铜管；4喷嘴夹头；5石英喷嘴；6电解液； 7低粘附超疏水表面；8高粘附微坑；9高粘附圆环沟道；10高粘附半圆环沟道； 11高粘附微沟道；12水滴。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：利用电液束工艺加工具有高粘附微坑的超疏水铝合金表面，如 图2所示，具体方法如下：

(1)分别用800#和1500#砂纸打磨铝合金基底并用去离子水超声清洗，除 去表面杂质、油污；

(2)使用氯化钠水溶液对光整后的铝合金基底进行电化学刻蚀获得超亲水 铝合金基底；其中，氯化钠水溶液浓度为0.1mol/L，刻蚀时间为8min，极板间 距为10mm，刻蚀电流密度为600mA/cm²；

(3)将金属基体固定在可喷射导电电解液的电液束加工装置上，保证金属 基体与电液束喷射方向基本垂直，设定与金属基体表面垂直方向为XYZ坐标系 的Z轴，喷嘴末端相对金属基体表面的Z向间距为1mm；所述的电液束喷嘴采 用内嵌铜管的石英喷嘴，喷嘴内孔直径为520μm；金属基体连接电源正极，电 液束喷嘴铜管连接电源负极；

(4)加工过程中，喷嘴与基片相对位置不变，加工3s后可在超亲水铝合 金基底上加工出直径为680μm的微坑，如图2所示，其中，电解液为质量分数 15％的硝酸钠溶液，电解液喷射压力为0.3Mpa，加工电压为100V；

(5)将步骤4加工得到的金属基底用去离子水超声清洗吹干后放入 0.05mol/L硬脂酸酒精溶液中30min降低结构表面能，取出后放入烘箱以100摄 氏度烘烤20min后即可获得具有高粘附微坑的超疏水表面。

15μL水滴在超疏水区域和微坑上的滚动角分别为5°和18.2°，明显的滚动 角差异性说明该微坑对水滴有明显的粘附作用。

实施例二：利用电液束工艺加工具有高粘附圆环沟道的超疏水铝合金表面， 如图3所示。

(1)分别用800#和1500#砂纸打磨铝合金基底并用去离子水超声清洗，除 去表面杂质、油污；

(2)将光整后的铝合金基底浸入氯化铜水溶液中进行化学刻蚀后得到超亲 水铝合金基底；其中，氯化铜水溶液浓度为1mol/L，刻蚀时间为20s；

(3)将超亲水金属基体固定在可喷射导电电解液的电液束加工装置上，保 证金属基体与电液束喷射方向基本垂直，设定与金属基体表面垂直方向为XYZ 坐标系的Z轴，喷嘴末端相对金属基体表面的Z向间距为1mm；所述的电液束 喷嘴采用内嵌铜管的石英喷嘴，喷嘴内孔直径为520μm；金属基体连接电源正 极，电液束喷嘴铜管连接电源负极；

(4)加工过程中，保持喷嘴与基片Z向间距不变并施加XY平面内圆周扫 描运动在刻蚀后的超亲水铝合金基底上加工出圆环沟道，如图3所示，其中， 电解液为0.2mol/L氯化钠水溶液，电解液喷射压力为0.4Mpa，加工电压为100 V，扫描速度为10mm/min，扫描圆周半径为1mm，扫描循环次数为1次；

(5)将步骤4加工得到的金属基底用去离子水超声清洗吹干后放入质量分 数为1％的氟硅烷乙醇溶液中90min降低结构表面能，取出后放入烘箱以100 摄氏度烘烤20min后获得具有高粘附圆环沟道超疏水铝合金表面。

实施例三：利用电液束工艺加工具有高粘附半圆环沟道的超疏水铝合金表 面，如图4所示。

(1)分别用800#和1500#砂纸打磨铝合金基底并用去离子水超声清洗，除 去表面杂质、油污；

(2)使用氯化钠水溶液对光整后的铝合金基底进行电化学刻蚀获得超亲水 铝合金基底；其中，氯化钠水溶液浓度为0.1mol/L，刻蚀时间为8min，极板间 距为10mm，刻蚀电流密度为600mA/cm²；

(3)将超亲水金属基体固定在可喷射导电电解液的电液束加工装置上，保 证金属基体与电液束喷射方向基本垂直，设定与金属基体表面垂直方向为XYZ 坐标系的Z轴，喷嘴末端相对金属基体表面的Z向间距为1mm；所述的电液束 喷嘴采用内嵌铜管的石英喷嘴，喷嘴内孔直径为200μm；金属基体连接电源正 极，电液束喷嘴铜管连接电源负极；

(4)加工过程中，保持喷嘴与基片Z向间距不变并施加XY平面内半圆环 轨迹的扫描运动在刻蚀后的超亲水铝合金基底上加工出半圆环沟道，如图4所 示，其中，电解液为0.2mol/L的氯化钠水溶液，电解液喷射压力为0.5Mpa，加 工电压为300V，扫描速度为10mm/min，扫描圆周半径为0.5mm，扫描循环次 数为1次；

(5)将步骤4加工得到的金属基底用去离子水超声清洗吹干后放入质量分 数为1％的氟硅烷乙醇溶液中90min降低结构表面能，取出后放入烘箱以100 摄氏度烘烤20min后获得具有高粘附半圆环沟道的超疏水铝合金表面。

由于不同的滚动角滞后，水滴沿L方向和R方向的滚动角存在差异，这种 滚动角差异性在微流控芯片和传感器方向有潜在应用价值。

实施例四：利用电液束工艺加工具有高粘附微沟道阵列的超疏水铝合金表 面，如图5所示。

(1)分别用800#和1500#砂纸打磨铝合金基底并用去离子水超声清洗，除 去表面杂质、油污；

(2)将光整后的铝合金基底浸入氯化铜水溶液中进行化学刻蚀后得到超亲 水铝合金基底；其中，氯化铜水溶液浓度为1mol/L，刻蚀时间为10s；

(3)将超亲水金属基体固定在可喷射导电电解液的电液束加工装置上，保 证金属基体与电液束喷射方向基本垂直，设定与金属基体表面垂直方向为XYZ 坐标系的Z轴，喷嘴末端相对金属基体表面的Z向间距为1mm；所述的电液束 喷嘴采用内嵌铜管的石英喷嘴，喷嘴内孔直径为100μm；金属基体连接电源正 极，电液束喷嘴铜管连接电源负极；

(4)加工过程中，保持喷嘴与基片Z向间距不变并施加XY平面内的平行 直线扫描运动在刻蚀后的超亲水铝合金基底上加工出沟道阵列，其中，电解液 为0.2mol/L氯化钠水溶液，电解液喷射压力为0.6Mpa，加工电压为600V，扫 描直线速度为10mm/min，线长为20mm，直线扫面间距为0.3mm，加工线条 数量为50；

(5)将步骤4加工得到的金属基底用去离子水超声清洗吹干后放入质量分 数为1％的氟硅烷乙醇溶液中90min降低结构表面能，取出后放入烘箱以100 摄氏度烘烤20min后获得具有高粘附沟道阵列的超疏水铝合金表面。

由于不同的滚动角滞后，水滴沿垂直沟道和平行沟道方向的滚动角存在差 异，这种滚动角各向异性在液滴的定向运输方向有广泛应用。

本发明可以通过调整所加工微图案尺寸和粗糙度来调控微图案粘附力大 小，具有设备简单、成本低、通用性高等优点。所加工出的高粘附微图案结构 稳定，在液滴无损存贮、转移、定向运输等方面具有潜在应用价值。