[发明专利]用于改变表面润湿性的方法

说明书

一种用于改变物体表面润湿性的方法300可以包含在物体400的表面402上形成一个或多个纳米纤维阵列404，其中，一个或多个纳米纤维阵列404包括沿X轴和Y轴以相同或不同的间隔沿任一轴间隔开的纳米纤维，一个或多个纳米纤维阵列404与物体400成一体，并且纳米纤维都具有基本垂直于表面402的基底部分。一个或多个纳米纤维阵列404的纳米纤维的间隔、直径和长度被选择为使得表面402对一种或多种预定液体的润湿性相对于在没有纳米纤维阵列404的情况下表面402的润湿性增加或降低。

技术领域

本发明大体涉及润湿表面。更特别地，本发明涉及用于改变表面润湿性的系统和方法。

背景技术

润湿是液体与固体表面保持接触的能力。润湿表面的液体在该表面上扩散。不润湿表面的液体将最大限度地减少与该表面的接触，并成为更球形的液滴。

表面粗糙度影响润湿行为。如果表面是“非润湿的”，则表面粗糙度往往会使表面不太润湿而更非润湿。如果表面是“润湿的”，则粗糙度会使其更润湿。

表面采用化学处理来改变润湿性质。是疏水表面处理的示例，由粘附在玻璃上并排斥水的聚合物分子组成。应用于挡风玻璃的少量3M公司(明尼苏达州圣保罗)的有助于挡风玻璃的“去湿”，这是由于水和涂层表面之间的大接触角，导致水“成球”。化学处理被用作纸张和织物(机织和非机织)的上浆和涂层，以控制这些材料与从尿布到喷墨打印纸的液体相互作用的方式。同样由3M公司生产的在织物上形成疏水表面。用化学方法改变表面的润湿性是众所周知的，并被广泛应用。

纳米技术的最新进展，特别是仿生技术，重新激起了人们对结构如何改变表面性质的兴趣。从植物的自洁表面，创造出“荷叶效应”，到在水中推进行走的昆虫；大自然利用化学和结构来控制与流体的相互作用。2016年1月，“Biomimetic modification ofsurface properties”在谷歌学术搜索上的点击量超过了100,000次。

研究表明，纳米纤维能够形成某种程度上模仿自然界存在的结构的结构。纳米纤维的独特性质允许产生超疏水或超亲水的纤维，本质上增强了本体材料的性质。用于现有技术表面润湿性改性的纳米纤维通常通过静电纺丝制造，这种方法需要使用高电压和含有在生产期间蒸发的溶剂的流动聚合物溶液。Ensor等人在美国8,652,229中描述了用于静电纺丝纳米纤维以形成过滤元件的方法。在所描述的方法中，静电纺丝工艺需要25kV至30kV范围内的电势和几个工艺参数的密切控制。在给出的示例中，纳米纤维的生产率很低。由于所需要的溶剂，它不是一种环保的方法，并且不容易规模化生产商业产品所需的大量产品，特别是消费品。

静电纺丝生产的纳米纤维长而连续，并且产生的纤维末端很少。取向是随机的，并且纤维没有粘合到下面的表面上。这与自然界中出现的纳米纤维形成对比，这些纳米纤维通常高度有序，并且与下面的表面成一体，并且具有丰富的纤维末端。

发明内容

当前公开的主题克服了现有技术的一些或所有上述缺陷，这对于本领域普通技术人员来说，在研究了本文件中提供的信息之后将变得显而易见。

在第一方面，本发明提供了一种通过在表面上形成纳米纤维有序阵列来影响表面润湿性的方法，纳米纤维与表面成一体。这些有序阵列中的纳米纤维具有预定的间距、直径、长度，并且在其基底处基本垂直于表面。纳米纤维具有高纵横比，即长度(在本文中也称为“高度”)是纤维直径的倍数。与静电纺纳米纤维相比，这些阵列中纤维的取向受到控制，并且这些纳米纤维的长度比静电纺纤维短几个数量级。本发明的纳米纤维一端固定到表面，并且另一自由端提供与液体相互作用的位点，以便增加或降低表面的润湿性。因此，在表面上形成的本发明的纳米纤维阵列比通过静电纺丝形成的现有技术纳米结构更接近模拟自然界中出现的纳米纤维阵列，并且在确定表面的润湿行为方面也更有效。