[发明专利]一种基于均匀微纳结构的润湿梯度表面及构建方法

说明书

本发明公开了一种基于单一均匀微纳结构的润湿梯度表面及制备方法。通过微米结构加工技术及纳米结构的构建方法，在钛合金、镁合金、钴基合金、铝合金、不锈钢作为金属基体表面形成一种单一均匀的微纳结构表面。通过单分子自组装的方法，用高浓度的低表面能物质乙醇溶液挥发对表面进行梯度功能化修饰，从而形成具有表面能梯度的润湿梯度表面。本发明从化学组成梯度制备润湿梯度材料的思路出发，制备出一种具有均匀微纳结构的润湿梯度表面，将在很大程度上解决当前润湿梯度材料所具备的制备环境苛刻、工艺复杂、对基体材料要求高及制作成本高等不足，使其更好地应用于生物学、微流体器件、微重力环境下的液体输送等领域。

技术领域

本发明属于表面处理技术领域，特别涉及一种基于均匀微纳结构的润湿梯度表面及制备方法。制备的具有润湿梯度的表面对促进超疏水表面的工业化尤其是冷凝液滴控制领域有重要意义。

背景技术

在过去数年中，固体表面上的液滴定向输送由于其在生物医学微流体、自清洁表面、防结冰和更好的传热表面滴状冷凝强化的发展中具有的重要意义，从而引起了研究者们的广泛兴趣。其中，研究中的一个重点问题就是如何在不借助外力的作用下使这一过程自发进行，针对这个问题，研究者当前考虑的一个主要方法是依靠润湿梯度表面的特性来进行表面液滴的定向输送。

润湿性是固体表面的一个重要特性,在工农业生产和日常生活中发挥着重要作用。润湿梯度表面是指一种组分、结构和润湿性等特征随空间连续变化或阶梯变化的高性能材料，在生物学(如细胞吸附)、微流体器件、微重力环境下的液体输送等领域具有广泛的应用价值。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种制备简便的、可直接在金属单一均匀微纳结构表面上制备具有化学组成梯度的润湿梯度表面的之制备方法。

针对现有技术制备的润湿梯度材料大多基于构建相对困难、局限性相对较大的具有微观结构形貌梯度的润湿梯度表面，本发明采用如下技术方案：

一种基于单一均匀微纳结构的润湿梯度表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以金属材料或单晶硅为基体材料，先对基体材料进行预处理；

2)在基体材料表面进行微米级结构构建，在基体材料表面形成凹凸不平的微米级丘陵状结构；

3)采用纳米结构加工技术在形成的微米级凹凸结构上，构建一层纳米结构，制备出微纳二级复合结构；

4)随后，将基体材料竖直地置于含有低表面能物质的乙醇溶液上方，并煮沸蒸发1-2小时，低表面能物质在基体材料表面发生单分子自组装，随后将样品放入120℃烘箱中干燥2小时，以获得最终的样品。

所述的一种基于单一均匀微纳结构的润湿梯度表面的制备方法，步骤1)中，金属基体材料为钛合金、铝合金、钴基合金、镁合金、不锈钢之一。

所述的一种基于单一均匀微纳结构的润湿梯度表面的制备方法，步骤2)中的方法是喷砂法、强酸刻蚀法之一。

所述的一种基于单一均匀微纳结构的润湿梯度表面的制备方法，步骤3)中，使用的纳米结构加工技术包括阳极氧化法、水热法、酸/碱刻蚀法。

所述的一种基于单一均匀微纳结构的润湿梯度表面的制备方法，步骤4)中，使用的低表面能物质是氟硅烷、氟碳漆、硬脂酸之一，低表面能物质与乙醇溶液的质量浓度范围在50％至100％。

本发明中，步骤1)中的试样预处理为：利用电火花切割设备将样品加工成50mm×10mm×1mm的试样块。实验前，将切割好的试样经过0～5^#金相砂纸打磨，然后分别使用丙酮、酒精及蒸馏水超声清洗10min后吹干，并用酒精储存备用。

根据所述制备方法制备获得的基于均匀微纳结构的润湿梯度表面。

采用本发明的技术方案具有有以下特点：