[发明专利]一种楔形图案化超浸润性表面及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料及微纳复合材料制备技术领域，具体涉及一种楔形图案化超浸润性表面及其制备技术。

背景技术

滴落在低粘附超疏水表面上的宏观液滴能够呈现表观接触角＞150°，滚动角＜10°，水滴呈稳定Cassie态的接触，极易脱落，在自清洁、耐污染、耐腐蚀、油水分离、抗冷凝、抑霜、防冰等诸多领域有广泛的应用，引起了国内外研究者们的高度重视。他们研究发现在超疏水表面上能形成很好的滴状冷凝，与传统的平表面膜状冷凝相比传热系数提高3～4倍。后来，研究者们发现超疏水表面的冷凝液滴虽然极易脱落，但是其水滴形核率与平表面相比大大降低，这就在传热、换热方面大大受到限制，因此制备非均匀润湿性表面结合超疏水表面的液滴快速脱落和亲水表面水滴形核率高的优点，在微流控制、换热器、集水、海水淡化等方面有广阔的应用前景和巨大的市场效益。

目前，图案化非均匀润湿性表面制备方法及技术遵循的原理基本上是先制备低粘附超疏水表面，然后通过机械或化学的方法使表面部分失去超疏水性能，最终获得超疏水/超亲水图案化非均匀性润湿性表面。例如，Bai将TiO₂溶液旋涂在玻片上，通过450℃，2.5h热处理在玻片上形成一层纳米级的TiO₂颗粒，之后氟化的超疏水表面，最后将模板放在附有TiO₂颗粒的玻片上对其紫外照射形成超疏水/超亲水图案化非均匀性润湿性表面【Adv.Mater.，2014，26(29)：5025-5030】；Hou先用标准准的光刻技术在硅片上制备出阵列SiO₂，接着用四甲基氢氧化四氨刻蚀出微米柱阵列，然后用深反应刻蚀技术在微米柱侧面及其间隙获得超疏水的纳米草，再将微米柱顶部氧化使其失去超疏水性能，最终获得超疏水/超亲水图案化非均匀性润湿性表面【ACSNANO，2015，9(1)：71-81】。现有的图案化非均匀润湿性表面制备技术的表面涂层与基底的结合报道较少或者制备工艺复杂，设备昂贵，不适宜大面积应用，因此图案化非均匀润湿性表面简化制备工艺，提高膜基结合力仍是亟待解决的难题。

发明内容

本发明涉及的是一种楔形图案化超浸润性表面及其制备方法，具有工艺简单，成本低，膜基结合力好的优点。

本发明的技术方案为：一种楔形图案化超浸润性表面，在基片上设有楔形微米结构，所述的楔形微米结构底部长度3～12μm，底边距顶角距离20～350μm，夹角1～10°，在基片表面的凸起高度为2～10μm；所述的楔形微米结构呈阵列排布，左右排两个楔形的边到边间距0～90μm，上下排两个楔形的边到边间距0～10μm；所述的基片和楔形微米结构自身为亲水性，外层覆盖超疏水层，楔形微米结构突起顶端磨去表层超疏水层得到楔形图案化超浸润性表面；所述基片为铜片或硅片。

制备所述的楔形图案化超浸润性表面的方法，采用光刻技术或化学刻蚀的方法在洁净的基片上制备出楔形微米突起；再通过喷涂超疏水涂料获得超疏水层，或者水热氧化法构建氧化锌纳米阵列再采用氟硅烷修饰改性得到超疏水层，最后将楔形微米突起顶端的超疏水层磨去，在顶端获得亲水表面，从而得到楔形图案化超浸润性表面。

所述的楔形微米突起按以下方法制备：利用标准的光刻技术对基片表面涂覆光刻胶，并曝光、显影、去除光刻胶，在光刻胶覆盖区域形成楔形阵列图案，将基片放入过硫酸钾溶液，刻蚀，取出后立刻放入碳酸氢钾溶液阻止刻蚀反应，去除光刻胶得到。

所述的楔形微米突起按以下方法制备：利用标准的光刻技术对基片表面涂覆光刻胶，并曝光、显影、去除光刻胶，在光刻胶未覆盖区域形成楔形阵列图案，将基片先放入三氯化铁和盐酸混合水溶液中进行活化并粗糙化，采用电沉积或磁控溅射气相沉积法制备在基片表面沉积2～10μm厚铜膜，然后去除光刻胶得到。

电沉积时是采用双阳极法，插入CuSO_4`5H₂O和H₂SO₄混合溶液中，并加入十二烷基硫酸钠进行电沉积，先在2mA/cm²电流密度下电沉积，再在20～80mA/cm²电流密度条件下进行高速沉积电沉积，阴阳两极间距5cm，电沉积过程中配合搅拌。

所述混合水溶液中三氯化铁浓度为0.08～0.2g/mL，盐酸体积浓度为0.03～0.1％。

磁控溅射气相沉积法，以纯铜为靶材。