[发明专利]一种介电润湿复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种介电润湿复合材料的制备方法，属于介电润湿材料技术领域。本发明以正硅酸乙酯作为前驱体，采用溶胶‑凝胶法在聚对二甲苯中原位制备了纳米二氧化硅微球，然后分别用端环氧基聚二甲基硅氧烷和全氟硅烷进行疏水化处理，制备出一种介电润湿复合材料；聚对二甲苯化学性质不活泼，表面涂层保形，而且是一种很好的聚合物绝缘层，二氧化硅介电常数较高，能够有效降低驱动电压，在聚对二甲苯中原位制备了纳米二氧化硅微球，使得聚对二甲苯即具有良好的疏水性能，又具有较高的介电常数；聚二甲基硅氧烷的化学状态二甲基硅油，二甲基硅油无毒无味，具有生理惰性、良好的化学稳定性，使得制备的介电润湿复合材料具有良好的疏水性和耐候性。

技术领域

本发明涉及一种介电润湿复合材料的制备方法，属于介电润湿材料技术领域。

背景技术

近几十年来，器件的小型化微型化是主要发展的趋势。电润湿技术是一种利用电润湿现象控制和处理小型液滴的技术手段，控制手段主要依赖于外加电压对表面张力的改变，从而控制固/液表面的润湿性能。

电润现象广泛应用于物理、物化、电化学和电气工程学等领域。通过外加电场调节固液界面的润湿性，进而引起自身表面张力的变化，驱动流体运动或改变形态。两相间的润湿性能决定了电润湿器件的性能，调控润湿界面及表面润湿性能是决定电润湿器件性能的关键环节。

电润湿基本装置包括电极、绝缘层、导电液体三个部分。电极包括介质底端电极与插入导电液体电极两部分，可以改变固体与液体间的电势差。实验室用的导电液体通常为0.01-1mol·L^﹣1的盐溶液，例如0.01mol·L^﹣1KCl溶液。需要说明的是盐的种类和浓度对性能没有显著影响。导电液滴不仅哏制于盐溶液，甘油、乙醇、蛋白质等其它盐溶液混合物也存在电润湿现象，从而发展出生物流体等其它领域应用。因此电润湿是一种十分稳定的现象，导电液体的种类与浓度对于性能没有显著影响。

绝缘层是电润湿装置中最重要的部分，在实际电润湿器件中，为保证液滴具有较大的动态接触角变化范围，以提供较大的驱动力或润湿性能，绝缘层应具有较大的初始接触角。通过改变液滴与介质间施加的电压来改变液滴接触角是介质上的电润湿的基本原理，当施加电压大于临界值时接触角发生变化，这个临界值被称为阈值电压或启动电压。电润湿器件中的绝缘层应具有较小的启动电压，当驱动电压较高时可能导致液体的电解或薄膜的击穿。根据上述公式，启动电压与绝缘层的厚度和介电常数有关，尽量减小绝缘层的厚度或提高绝缘层的介电常数是降低启动电压的两种有效方法。但超薄的绝缘层虽然能增大动态接触角的变化范围，但是往往在接触角变化的过程中介质就发生击穿。因此，较高的介电常数与较大的疏水角是电润湿器件绝缘层的重要条件，绝缘层也被称为介电疏水层。

一般来说，电润湿介质材料可分为聚合物和无机物两大类。聚合物具有轻质、耐电压、易加工等无可替代的优点，然而其明显缺点是介电常数较低，大多数都小于3，低介电常数增加了其在工业应用中的困难。TeflonAF1600是一种典型的无定型全氟聚合物，是目前应用最为广泛的电润湿介质层。TeflonAF1600具备较高的疏水角（~120°）然而其聚合物结构并不致密，无法测出介电性能，稳定性较差。聚合物介质层因其较低的介电常数通常需要高的启动电压。在组装成电润湿器件的后续制备过程中，如光刻蚀等，对介电层的稳定性又提出了更高的要求。虽然无机材料具有较高的介电常数，但是表面疏水性能有所缺乏，需要通过一些技术来改善疏水性能，如在介电层表面涂覆一层疏水层等。

目前获得具备高的介电常数和疏水性能的复合材料的主要途径有两种：一种是对高介材料进行处理，获得高的疏水表面；另一种是利用复合的手段增大疏水聚合物的介电常数，满足介电润湿要求。

疏水表面是指表面的疏水角大于90 °，而在电润湿器件中初始接触角应该尽可能大以提供较大的调控范围。表面疏水处理的方法可以分为两类：一类是对表面进行加工，提高表面粗糙度，形成符合荷花效应的形貌，实现超疏水性质；另一类是在表面化学修饰，增加固/液界面分子间的排斥力来提高表面疏水性能。常用的制备方法如下：模板法、相分离方法、刻蚀法、溶胶-凝胶法和气相沉积法。