柔性超疏水硅胶薄膜及其在微流控储液腔中的防塌陷研究

发布时间：2020-04-15 19:53

【摘要】：近年来,受“荷叶效应”启发而发展的超疏水材料因其独特的结构和性能在自清洁、微流体系统和生物相容性等方面引起了学术界和工业界的广泛兴趣,研究人员从其结构的构思到制备方法都开展了积极的探索。但目前超疏水材料的表面粘附效应仅限于固-液两态,而超疏水材料之间的粘附性能,特别是如何实现超疏水材料与固态表面间的低粘附性却鲜少有人研究,这限制了超疏水材料在智能应用中的实用性。本论文针对以上疑问提出讨论,通过对表面结构和浸润性的调控,制备了具有超低粘附性的超疏水聚合物薄膜,实现了对仿生超疏水表面性能的有效调控,同时制备了具有防塌陷效应的微流控芯片。主要的工作内容如下:(1)结合贝克溶液腐蚀和表面修饰的方法在1060纯铝基底上制备了具有微/纳米级复合结构的超疏水表面。该方法实验步骤简单,与昂贵的氟硅烷修饰剂相比,选用了硬脂酸溶液(STA)作为修饰剂,在保护环境的同时,极大地降低了成本。制备完成后可得到静态接触角为159°,滚动角为3°的超疏水表面。通过分析疏水性能随腐蚀时间变化的原因,并考虑其相关实验条件。得出最佳的实验参数为:70℃的腐蚀温度、50s的腐蚀时间。(2)结合模板法制备柔性超疏水硅胶薄膜。首先将经过热处理的纯铝片用贝克溶液腐蚀并作为模板,将脱模剂均匀地分散于铝片上,然后将流动性极好的硅胶(PDMS,SYLGARD184)倾倒在模板表面,待加热固化后,用小刀轻轻刮开边缘,缓慢撕下即可。该制备工艺操作简单,对仪器设备依赖少,在达到高精度拓印效果的同时,可实现大批量制备柔性超疏水硅胶薄膜的需求。(3)具有防塌陷效应的微流控芯片的性能测试。制备步骤包括:首先在有机玻璃PMMA上激光雕刻出微米尺度的通道和腔体,再利用软光刻法复制出和模板相同结构的柔性基底,将(2)中制备的超疏水硅胶薄膜作为盖板并采用等离子工艺对盖板和基底进行活化,将二者相互贴合后即可实现直接键合。另外还测试了不同工艺参数下的样品与普通硅胶(FSR)之间的表面粘附性以及微流控芯片的注液效果。
【图文】：

水黾,荷叶,超疏水,动植物

器件、设备的创新思维与趋势，向自然学习，已经成为许多研究领域的指导思想。在自然界中，许多动植物都有特殊的表面性能,例如荷叶即使生长于污浊的泥泞之中，却始终保持着洁净的姿态和干燥的叶片。这就是广为人知的“荷叶效应”，这种功能使得荷叶表面具有强大的自清洁性能[1]。除此之外，自然界中还有很多动植物也具有超浸润现象。如图 1.1 所示，不同于荷叶表面上的水滴呈各向同性滚动，水稻叶片[2]上的水滴在沿着叶片生长的方向很容易滚动，而在垂直的方向则较难滚动，这是因为水稻叶片表面排列着许多平行于叶片生长方向的乳突与沟槽，故而影响了水滴的运动。类似的还有蝴蝶的翅膀[3]，蝴蝶翅膀上生长着许多沿身体向外辐射的方形鳞屑，并呈条带状堆放。当翅膀向下倾斜时，，水滴轻易就能滚落，而逐渐向上倾斜时，水滴则紧紧固定在翅膀表面。这是由于结构导致的润湿性差异。水黾可以在水面上稳定站立并可以快速行走也是利用其腿部特殊的微米、纳米相结合的结构效应来实现的。研究者还发现，水黾腿部的超疏水特性不但能让其在水面上自由穿行，还能排开 300 倍于自身身体体积的水量，即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没，这为全新的水栖设备带来了灵感。

示意图,三相共存,接触角,状态

1.1.2 超疏水材料基本理论浸润性是材料表面的重要特征之一，表面可控浸润性的研究无论在基础是工业应用上都有重要意义。固体浸润性通常用润湿界面上水滴的接触角(angle，简称 CA)来衡量。当固、液、气三相达到平衡时，沿三相接触线分别作界面和气-液界面的切线，两切线之间的夹角即为接触角。通常来说，当固体接触角 θ＜90°时被定义为亲水表面，反之则称为疏水表面。随着研究不断Vogler 等[8]提出 65°才是亲疏水界面的实际分界线。按照此说法，疏水表面的围就更加广泛了，比如徐坚等[9]以亲水的聚合物 PVA 为原料通过模板法制备水性阵列 PVA 纤维表面，其中水滴在 PVA 表面的接触角仅为 72.5°，成功的利用传统亲水材料(65°＜CA＜90°)获得超疏水表面。如图 1.2 所示，在固、液、气三相接触的条件下，液-固两相的接触端点固相与气相( )、固相与液相( )、液相与气相( )之间的三个界面张力的作三个力互相平衡，合力为零。通常，我们按θ值的大小来定义材料的湿润性。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2

【相似文献】