一種基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法。通過疏液材料與超疏液材料相結合，利用不同材料的疏水性，形成具有能量壁壘的軌道束縛液滴。在制備導引軌道時采用覆蓋法，對軌道的形狀、寬度及角度可調節；軌道內的材料具有疏水性，可降低軌道的表面能，使液滴在運動時不會產生尾跡和小液滴。對待處理表面清洗并采用疏液材料通過涂覆的方式改變為疏液表面；覆蓋樣條粘貼在疏液材料表面，調節覆蓋樣條的形狀制成控制路徑。向疏液材料表面噴涂超疏液涂層，改變表面的潤濕性；取下覆蓋樣條，形成具有潤濕性差異的導引路徑；在軌道上添加液滴，施加動力使液滴沿軌道運動；實現液滴或油滴在不同壁面的無質量損失導引。
【專利說明】
一種基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及液滴行為控制領域，具體地說，涉及一種疏液材料與超疏液材料相結合基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的定向導引方法。
【背景技術】
[0002]液滴的行為控制作為近幾年新興的研究熱點，具有非常重要的工程價值。如在生物技術領域可用于藥液物料輸送，在航空航天領域可作為飛機防結冰的新思路。液滴行為的控制方式中包括利用改變介質材料的電潤濕來控制液滴，通過電磁場控制磁流體，以及改變壁面的屬性以實現控制液滴的目的。
[0003]現有的液滴控制方法多為使用電磁場來控制磁流體等特殊液滴的運動，以及通過改變電壓來改變介質材料的電潤濕性，以此控制液滴的運動。在發明專利CN 104345140 A中提出“一種磁性液滴控制裝置及磁性液滴的控制方法”，該磁性液滴控制裝置及磁性液滴的控制方法僅適用于磁流體，無法滿足對一般液滴的控制需求;在專利CN 1588090 A中涉及“一種低壓的基于表面張力的微液滴控制器件”，該微液滴控制器件主要針對于微流體的控制，且控制條件復雜;在發明專利CN 102824933 A中公開了“一種單項液滴輸運的數字微流芯片電極配置”，配置擴展了介質電潤濕數字微流芯片的使用功能及應用范圍，僅適用于數字微流芯片。
[0004]現有技術中的專利給液滴的行為控制提供了很多非常有價值的方法，但仍存在以下不足:
[0005](I)控制條件復雜，需要添加特殊的外力場才可能實現導引；
[0006](2)所控制的液滴比較特殊，不具有一般性。
[0007](3)采用超親水與超疏水相結合的方法，導致液滴出現較大的質量損失。
【發明內容】
[0008]本發明的思路:通過提出的疏液材料與超疏液材料相結合的導引方法，實現對液滴在無特殊設備要求下的無質量損失導引；在制備導引軌道時采用覆蓋法，對軌道的形狀、寬度及角度可進行調節;軌道內的材料具有疏水性，可降低軌道的表面能，使得液滴在運動時不會產生尾跡和小液滴。對待處理表面清洗并采用疏液材料通過涂覆的方式改變為疏液表面;覆蓋樣條粘貼在疏液材料表面，調節覆蓋樣條的形狀制成控制路徑;取下覆蓋樣條，形成具有潤濕性差異的導引路徑;在軌道上添加液滴，施加動力使液滴沿軌道運動;實現液滴或油滴在不同壁面的無質量損失導引。
[0009]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法，其特征在于包括以下步驟:
[0010]步驟1.采用無水乙醇對材料待處理表面進行清洗，并使待處理表面干燥;待處理表面為平面或者小曲率曲面；
[0011 ]步驟2.進行表面涂覆處理，將待處理表面使用疏液材料通過涂覆的方式改變為疏液表面，改變后表面的粗糙度應小于5nm;
[0012]步驟3.將控制路徑的覆蓋樣條粘貼在疏液表面上，通過調節覆蓋樣條的形狀制成所需路徑;覆蓋樣條的寬度取值范圍為0.2?2.0mm;
[0013]步驟4.向疏液表面噴涂超疏液涂層，以改變表面的潤濕性;噴涂時需保證所噴涂區域的均勻度，噴涂的超疏液涂層厚度小于0.1mm；
[0014]步驟5.取下覆蓋樣條，形成具有潤濕性差異的導引路徑;靜置，待超疏液涂層完全附著在基底表面后，取下覆蓋樣條；
[0015]步驟6.在軌道上添加液滴，施加驅動力并調節驅動力大小使液滴沿預定軌道勻速運動;液滴的驅動方式采用切向風作為動力，或重力，β角的取值范圍為0°?72°。
[0016]有益效果
[0017]本發明提出的基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法，與現有技術相比，具有以下特點:
[0018](I)在制備導引軌道時采用覆蓋法，實現調節軌道的形狀、寬度以及角度。
[0019](2)軌道內部的材料具有疏水性，可降低軌道的表面能，從而使得液滴在運動時不會產生尾跡或者小液滴。
[0020](3)通過軌道內外的潤濕性差異產生的能量壁皇來實現束縛和導引液滴。
[0021](4)基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法操作簡便，適用范圍廣，可實現一般液滴或者油滴在不同壁面的無質量損失導引，有效地擴大液滴的可控種類。
[0022](5)基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法對液滴的驅動力采用流量可調的切向風力或者重力，擴大液滴的可導引場合。
【附圖說明】
[0023]下面結合附圖和實施方式對本發明一種基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法作進一步詳細說明。
[0024]圖1為液滴在壁面靜態潤濕性的示意圖。
[0025]圖2為折線型覆蓋樣條示意圖。
[0026]圖3為曲線型覆蓋樣條示意圖。
[0027]圖4為采用切向風作為驅動力來實現液滴導引的示意圖。
[0028]圖5為使用重力作為驅動力來實現液滴導引的示意圖。
[0029]圖6為切向風下液滴在直線軌道上運動的示意圖。
[0030]圖7為切向風下液滴在直線軌道上運動的俯視圖。
[0031]圖中:
[0032]1.液滴2.超疏液涂層3.疏液材料4.待處理表面5.覆蓋樣條6.軌道7.處理后表面
【具體實施方式】
[0033]本實施例是一種基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法。
[0034]本實施例所依據的原理:液體與固體的潤濕程度通常以接觸角Θ表征，它是固、液、氣三相界面處表面張力平衡的結果。在理想的固體壁面上，液滴的接觸角是由固氣、固液和氣液界面自由能決定，即γ5ι、Ysg與γgi，s表示為固體，I表示為液體，g表示為氣體，三者之間的關系可由Young方程得到:
[0035]cos0 = ( ySg-Ysi)/γ8ι (I)
[0036]式中，Θ為固體壁面上的接觸角，通過式(I)計算出液滴在固體壁面上的接觸角。
[0037]通常，當Θ > 150°時稱為超疏液壁面，當Θ >90°時稱為疏液壁面，當Θ <90°時稱為親液壁面。液滴在不同表面上呈現不同接觸角的原因是不同材料的表面能存在差異，這種差異造成了不同表面對液滴的束縛力不同。材料的表面能越高，對液滴的束縛力越強。軌道內部為疏液材料，與親水材料相比，其表面能較低，所以對液滴的束縛力會比親水材料的束縛力小，液滴在運動過程中不會留下尾跡;而軌道外部為超疏液材料，具有比疏水材料更低的表面能，所以在軌道邊界上，因為表面能的差異而產生很高的能量壁皇，當外力作用下，液滴難以克服這種能量壁皇，液滴可完全被束縛在軌道內，實現輸運效果。
[0038]參閱圖1?圖7，本實施例基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法，以切向風導引液滴，通過風速范圍為2.08m/s?18.72m/s的風洞裝置，實現該方法的導引效果；具體實施方法如下:
[0039](I)將25 X 75mm的待處理表面4使用無水乙醇清洗干凈，并使待處理表面4充分干燥；
[0040](2)將調制好的PDMS粘液3均勻涂在干凈的表面上，靜置，待PDMS氣泡完全排干凈后，在70°的溫度下加熱30min?60min至其充分凝固，形成疏水表面；
[0041](3)將寬度為0.7mm的直線型覆蓋樣條5粘貼在疏液材料表面，調節覆蓋樣條的形狀制成控制路徑；
[0042](4)使用噴槍將超疏液涂層2均勻噴涂在疏水表面上，形成超疏水表面；
[0043](5)待超疏液涂層完全干燥后，取下覆蓋樣條5，形成一個內部疏水外部超疏水的具有潤濕階躍的軌道6制作完成。
[0044](6)將處理后表面7制備完成的軌道6放置在風洞內，并在軌道6上添加體積為30yL的液滴I，施加動力使液滴I沿軌道6運動。
[0045](7)調節電壓，以電壓的調節范圍為O?250V來調節風速;將電壓快速調節至啟動電壓以后，再緩慢地調節電壓，直到液滴I開始在軌道6上勻速運動;實現液滴在不同壁面的無質量損失導引。
[0046]本實施例中，利用不同材料的疏水性，將疏水和超疏水材料相結合，形成具有能量壁皇的軌道，從而有效地束縛液滴；
[0047](I)體積為30yL的液滴可沿著直線軌道作勻速運動的啟動風速為4.82m/s;
[0048](2)當風速調節得過大時，液滴則會脫軌，液滴的脫軌風速為7.98m/s;
[0049](3)軌道與風向之間的夾角α可根據需要進行調節，α的取值范圍為0°?83°;
[0050](4)本實施例中實驗用的覆蓋樣條可根據需要改變形狀；
[0051](5)液滴的驅動方式除了采用切向風作為驅動力，也可是重力，β角的取值范圍為
O。?72。。
【主權項】
1.一種基于壁面潤濕性調控液滴無質量損失的導引方法，其特征在于包括以下步驟:步驟1.采用無水乙醇對材料待處理表面進行清洗，并使待處理表面干燥；待處理表面為平面或者小曲率曲面； 步驟2.進行表面涂覆處理，將待處理表面使用疏液材料通過涂覆的方式改變為疏液表面，改變后表面的粗糙度應小于5nm; 步驟3.將控制路徑的覆蓋樣條粘貼在疏液表面上，通過調節覆蓋樣條的形狀制成所需路徑;覆蓋樣條的寬度取值范圍為0.2?2.0mm; 步驟4.向疏液表面噴涂超疏液涂層，以改變表面的潤濕性;噴涂時需保證所噴涂區域的均勻度，噴涂的超疏液涂層厚度小于0.1mm； 步驟5.取下覆蓋樣條，形成具有潤濕性差異的導引路徑;靜置，待超疏液涂層完全附著在基底表面后，取下覆蓋樣條； 步驟6.在軌道上添加液滴，施加驅動力并調節驅動力大小使液滴沿預定軌道勻速運動;液滴的驅動方式采用切向風作為動力，或重力，β角的取值范圍為0°?72°。
【文檔編號】G01N35/10GK106053869SQ201610537052
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月8日
【發明人】胡海豹, 余思瀟, 宋東, 文俊, 王德政, 鮑路瑤, 張慶輝, 杜鵬
【申請人】西北工業大學