親水性/疏水性圖案化表面及其制備和使用方法

專利名稱：親水性/疏水性圖案化表面及其制備和使用方法
技術領域：
該內容通常涉及的領域包括親水性/疏水性圖案化表面，包括它的 產品及其制造和使用方法。
背景技術：
具有親水性的或疏水性表面的產品在質子吸收、水分輸送(例如, 燃料電池)、摩擦控制等方面有著廣泛的應用。在超疏水性表面上，水以液滴 狀態保留，并且當表面稍微傾斜時易于滾離。實現超疏水性通常要求表面上 具有織構，諸如眾所周知的荷葉。在典型的平面疏水表面上，能達到高達iio °的水接觸角。當水滴到超親水的表風水接觸角低于20度)時，水同時以放射狀 的方式鋪展。如果超親水表面包含微-通道特征，水芯吸進入所述通道，并且 由于該附加的毛細作用力迅速沿著通道移動，其中速度取決于通道尺寸。已 經發現這種水芯吸行為特別對促進在微通道中的水分輸送有用。

發明內容
本發明的一個實施方案包括具有附著于其上的分子鏈的基材，每 個鏈包括親水基、疏水鏈段(segment)和光可逆交聯劑(photo-reversible crosslinker)。本發明的另一個實施方案包括具有包含多個分子f連的可再構造的 疏水性/親水性圖案化表面的基材，每個鏈含有親水基、疏水鏈段和光可逆的 交聯白勺部分(photo-reversibel crosslinked portion )。本發明的一個實施方案包含方法，所述方法包括提供具有多個附著于其上的分子鏈的基材，每個鏈包括親水基、疏水鏈段和可逆交聯劑，和 使得所述可逆的交聯劑交聯鄰近的分子鏈。本發明的另一個實施方案包括提供具有多個附著于其上的分子鏈 的基材，每個鏈包括親水基、疏水鏈段和光可逆交聯劑，使基材暴露于電荷 并然后使分子鏈受到紫外光以交聯相鄰的分子鏈。在本發明的一個實施方案 中，將基材暴露于正電荷，使得分子鏈變直從而親水基離基材最遠。在另一 個實施方案中，使基材受到負電荷，從而使得分子鏈彎曲以便親水基附著于 基材。本發明的另一個實施方案包括提供具有多個分子鏈的基材，每個
鏈包含親水基和疏水性鏈段，而且其中相鄰的鏈通過可逆的交聯的部分連接 在一起，并使得所述交聯的相鄰分子鏈通過將鏈暴露于紫外光而去交聯
(uncrosslinked)。在本發明的一個實施方案中，使交聯的鏈暴露于波長小于260 nm的紫外光。本發明的其它示例性實施方案將從后面提供的詳細說明而變得明 確。應當理解的是，雖然公開了發明示例性的實施方案，詳細說明和具體實 施例旨在僅用于例證而非目的在于限制發明的范圍。


本發明的實施方案將由詳細說明和附圖變得更加充分明白，其中圖1說明了在基材上形成親水表面和疏水表面的方法。圖2說明了按照本發明的一個實施方案進行基材表面改性的方法。圖3說明了按照本發明的一個實施方案的產品。
圖4說明了按照本發明另一個實施方案的產品。
圖5說明了現有技術的具有微溝槽的燃料電池雙極板。
圖6說明了按照本發明另一個實施方案的產品。
圖7說明了按照本發明另一個實施方案的產品。
具體實施例方式下面的實施方案(多個)描述實質上僅僅是示例性的，無論如何不 旨在限制本發明、其應用或用途。
本發明的一個實施方案包括通道較少的流體裝置(channel-less flmdic device)。在一個實施方案中，具有疏水和親水的微米或納米-圖案(例如 條)的表面通過精細的分子設計而產生。通過有選擇地在表面上形成親水性的 和疏水性的圖案，其中在一些情況下接觸角的差異可高達100。，滴到這樣的 圖案表面上的水預期表現得如同在微通道化的超親水表面上一樣，具有在疏 水和超親水區域之間起到虛擬通道壁(virtual channel wall)的作用的邊界。 在一個實施方案中，分子設計能使得所述虛擬的水通道(virtual water channel) 可再構造，如后面所述那樣。如圖1所示，本發明的一個實施方案包括用多個分子鏈12改性的 基材10，每個鏈12包含親水基18、疏水鏈段14和可逆的交聯劑部分16。在 一個實施方案中，為了產生疏水性，可將碳氟鏈用作疏水性鏈段14。親水性 可由極性基團18產生。在一個實施方案中，親水基18可以是羧酸(或鹽)基團。 在一個實施方案中，極性基團是離子性基團并引入超親水性。在一個實施方 案中，相鄰的分子鏈12相互交聯，這傾向于穩定表面的超親水性，不同于當 暴露于空氣時易于隨時間降低親水性的未交聯的超親水表面。在一個實施方 案中，可逆的交聯劑部分16可以是肉桂酸連接(cinnamic acid link)。現在涉及到圖2，在本發明的一個實施方案中，例如，可通過將 乙酸乙烯酯與用作固化劑的少量二乙烯基苯共聚而產生基材10。在表面上發 生水解并產生羥基，其進一步與全氟代二羰基氯化物(perfluoro dicarbonyl chloride)反應。全氟代二羰基氯化物可以大大過量使用以避免二酯化 (diesterification)。酚基在接下來的步驟中通過碳酰氯基團與過量的干氫醌 (dryhydroquoine)反應而產生。在最終步驟中，將肉桂酸結構單元通過酚基 引到表面上。此化學作用產生了包括具有通過可交聯雙鍵而連接在一起的親 水性羧酸或鹽端基的碳氟鏈的表面。再次參考圖l，通過將正電荷通過DC電場施加到基材10上或將 基材浸泡到親水性溶劑中，基材表面上的分子鏈12伸展，離子性基團18背 離表面指向。可將樣品暴露于波長大于260nm的紫外光以通過肉桂酸鍵的光 二聚作用(photo-dimerizatk)n)促進UV固化。最終結果是離子性基團18位 于頂部的交聯的超親水表面22。同樣如圖1說明的那樣，當把負電荷施加到基材10或使用疏水溶劑時，貝撥生相反的情況。也就是說，鏈12彎曲以至于離子性基團18附著 到基材10上。這產生了由鏈12的碳氟鏈段14支配的疏水表面24，預計它具 有約110°的接觸角。本發明不局限于如圖1所示的分子鏈12的部分14、 16和18的具 體排列。例如，親水部分18不必需位于分子鏈12的末尾，可交聯的部分16 也不必需與親水部分18相鄰。此外，另外的鏈段或基團可以插入分子鏈12 的部分之間或附著于其末端。例如，另外的基團或鏈段可附著于疏水鏈段14 以將分子f連12附著或固定到基材10。由于紫外反應的空間選擇性，可通過連續采用上述的兩種過程并 在相反的圖案上采用光掩模而在同一基材的不同區域中產生疏水性和超親水 性圖案。由于紫外線波長極好的空間分辨率，圖案的特征尺寸可以低到納米。交聯反應還可以通過將圖案化的表面暴露于波長小于260nm的 紫外光而逆轉，這是基于肉桂酸的體系的特征。當交聯的鍵裂解時，此表面 恢復至其初始狀態，且超親水性和疏水性圖案被清除。通過在不同特征上使
用掩模重復圖1中所示的兩種過程，能再次產生超親水性和疏水性的新圖案。
現在參考圖3，本發明的另一個實施方案包括包含可以是第一燃 料電池雙極板112的基材10的燃料電池堆100。第一雙極板112的表面可改 性以包含親水性22和疏水性區域24的圖案。任選地，第一雙極板112可包 含在反面形成的通道90用于使冷卻劑由此流過。第一氣體擴散介質層76可 以位于第一雙極板112的下方。第一氣體擴散介質層76是多孔的并且一般由 排列成碳紙或氈(felt)的碳紙形成。可將第一微孔層72提供在第一氣體擴散層 76下方。第一微 L層72可包含碳粒子和PTFE。陰極68可位于第一微孔層 72下方以及可包含催化劑諸如在碳粒子上的鉑和離聚物諸如NAFION。可提 供聚電解質膜(PEM) 62位于陰極下方并且其可以包含離聚物諸如NAFION。 陽極70可以位于膜62下方并且可如陰極68類似地構造。第二微孔層74可 位于陽極70下方以及第二氣體擴散介質層78可以位于第二微孔層74下方。 第二雙極板114可以位于第二氣體擴散介質層78下方。在圖3所示的實施方 案中，分別將各種反應氣體受迫通過各個氣體擴散介質層76、 78。任何由于 由濕潤氣體凝結或作為燃料電池反應副產物產生的液態水可沿著各個雙極板 112、 114的表面的親水性區域22芯吸，并且如果需要從電池除去。
現在參考圖4，第二雙極板114可具有至少兩個平臺(land) 26和 形成于平臺間的一條通道(間隙或空隙)28。通道28可由平臺26的壁27和底 表面29限定，可將底表面改性以包含親水22和疏水區域24的圖案。平臺26 與第二擴散介質層78物理和電接觸。反應氣體，諸如但不局限于氫，流過通 道28，并通過氣體擴散層78擴散到陽極。任何由于由濕潤氣體凝結或作為燃 料電池反應副產物存在的液態水可沿各個雙極板112、 114的表面的親水性區 域22芯吸并如果需要從電池除去。在通道28中流動的氣體可有助于將水從 電池中排出。圖5示出了具有在限定通道28的表面的底部29中形成的微溝槽 50的現有技術燃料電池雙極板。根據如圖6所示的一個實施方案，可通過提 供包含多個交聯的分子f連(a polarity of crosslinked molecular chain)(其包含親 水基或鏈段)的區域22，沿著限定通道28的底面29或壁27形成一個或多個 虛擬微溝槽。如圖7所示，基材10可以是金屬如不銹鋼，以及可在通道28 中沿壁27和/或底面29的一部分提供聚合物涂層52。可將包含多個含親水基 或鏈段的交聯的分子鏈的區域22提供在涂層52上。分子鏈可以是涂層52的 一部分或附著到上面。在一個實施方案中，限定虛擬微溝槽的區域22的寬度 可小于50um。通道可具有各種構造以及還可以是半圓形的或V形。本發明實施方案的上述描述本質上僅僅是示例性的，因此其變體 不視為偏離本發明的精神和范圍。
權利要求
1、產品，包括基材，所述基材包含多個含有親水基、疏水鏈段和可逆交聯劑的分子鏈。
2、 產品，包括基材、多個分，連附著于該基材，每^NH包含親水基、船Jc鏈段和光可逆交聯劑。
3、 產品，包括基材，所述基材具有可再造的疏7K/親水圖案化表面，所述表面包含多個分^l連，^tl連包含親水基、疏水鏈段和光可逆的交聯的部分。
4、 一種方法，包括提供具有多個^f連附著的基材，每^N連包含親水基、 i^7jC鏈段和可逆交聯劑，并使得所述可逆交聯齊咬聯相鄰的^^連。
5、 一種如權利要求4所述的方法，進一步包括使至少部分所述^T鏈^m以至于所述親水基離所述S^才最遠。
6、 一種如權禾腰求4所述的方法，進一步包括使至少部分所述肝鏈彎曲 以至于所述親水基附著到所述基材。
7、 一種方法，包括提供具有多個分子鏈附著的基材，^f連包含親水基、 疏L7jC鏈段和光可逆交聯劑，使所述基材暴露于電荷，并然后使所述分子鏈暴露于紫外光以交聯相鄰的分子^1。
8、 一種如權利要求7所述的方法，其中所述親7jC基團為離子性的，將所述基材暴露于電荷包括將所述基材暴露于與所述離子性親水基團上的電荷相反的 電荷，使至少部分所述^fl連^l;以至于所述親7K基離所述S^才最遠。
9、 一種如權禾腰求7所述的方法，其中所述親水基團為離子性的，所述將 所述基材暴露于電荷包括將所述基材暴露于與所述離子性親水基團上的電荷相 同的電荷，使至少部分所述分，彎曲以至于所述親水基附著至U所述基材。
10、 一種方法，包括提供具有多個分子鏈的基材，每個鏈包含親水基和 疏水性鏈段，而且其中相鄰的鏈通過可逆的交聯的部分連接在一起，并使得 所述交聯的相鄰分子f連通過將所述鏈暴露于紫外光而去交聯。
11、 一種如權利要求10所述的方法，其中將所述交聯的鏈暴露于波長小于 260nm的紫外光以將其去交聯。
12、 一種方法，包括提供具有羥基附著的基材，將所述羥基與全氟二羰基 氯化物反應以提供附著到所述基材上的氯化鏈段，將所述氯化鏈段與過量的干氫醌反應以產生附著的酚基，將所述酚基與肉桂酸反應以提供附著到所述基材 的M鏈，所述^f連包含碳氟鏈段、可交聯雙鍵和親水羧酸或鹽端基。
13、 一種如權利要求12所述的方法，進一步包括將正電荷通過DC電場施加到所述基材上或將所述分子鏈暴露于親水溶劑而使得所述表面上的所述鏈伸 展，所述離子性基團的指向背離所述表面。
14、 一種如權利要求13的方法，進一步包括將所述分TI連暴露于波長大于 260nm的紫外光以i^M31肉桂酸鍵的光二聚作用進行UV固化以提供交聯 的相鄰分子鏈。
15、 一種如權利要求12的方法，進一步包括把負電荷施加到所述基材上 或將所述分子鏈暴露于疏水溶劑，以使得所述鏈彎曲以及使得所述離子性基 團附著到所述基材上。
16、 一種如權利要求14所述的方法，進一步包括將所述交聯的M鏈暴露 于波長小于260nm的紫外光以使相鄰的分，去交聯。
17、 一種包括燃料電池雙極板的產品，所述雙極板包括包含圖案化表面的 基材，所述圖案化表面包含含有多個分子鏈的疏水和親水區域，每^l連含有親 水基團、1^7K鏈段和可逆的交聯的部分。
18、 一種如權利要求17所述的產品，其中親水區域中的鏈伸展使得所述親水基團離所述基材最遠以提供所述親水基團的表面。
19、 一種如權利要求17所述的產品，其中在所述親水區域中的所述親7jl基 團中的鏈彎曲以至于所述親水基團附著到所述基材，并提供了所述疏7jC鏈段的表面。
20、 一種如權利要求17所述的產品，其中所m極板不包括由平臺和平臺 之間的通道限定的反應物流場。
21、 一種如權利要求17所述的產品，其中所艦極板包括由至少兩個平臺 和平臺之間的通道限定的反應物氣體流場，所述M至少部分被底表面限定， 且其中所述圖案化的表面在所述底表面上。
22、 一種包含it料電池雙極板的產品，所述燃料電池雙極板具有由至少多 個平臺和通道限定于其中的反應物氣體流場，所M道至少部分由表面限定， 在所述表面上的虛擬微溝槽包含各自包含親水基團和交聯的部分的多個分子 鏈。
23、 一種如權利要求22所述的產品，其中W^miit—步包含i[7jC鏈段。
24、 一種如權利要求22所述的產品，其中所述交聯的部分被可逆地交聯。
25、 一種如權利要求22所述的產品，其中該區域寬度小于50"m。
全文摘要
本發明涉及親水性/疏水性圖案化表面及其制備和使用方法。一種實施方案包括具有多個分子鏈的基材，每個鏈包含親水基團、疏水鏈段和可逆交聯劑。
文檔編號H01M8/02GK101587960SQ20081021548
公開日2009年11月25日 申請日期2008年8月22日 優先權日2008年5月13日
發明者T·謝 申請人:通用汽車環球科技運作公司