具有超憎液表面的流體處理部件的製作方法

2023-06-04 12:07:16

專利名稱：具有超憎液表面的流體處理部件的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及流體處理部件，特別涉及一種具有超憎液接觸表面的流體處理部件。
背景技術：
流體處理部件，例如通道、管道、管子和相關裝配部件以及其它部件已經沿用了千百年，用以將液體從一個地方輸送到另一個地方，從一道工序輸送到另一道工序。然而，流動的流體和流體處理部件間的摩擦力一直是實現流體處理系統最高效率的一個重大挑戰。摩擦力提高了泵送流體通過系統所需要的能量並降低了通過系統的流體的流速。
眾所周知，流體處理部件的流體接觸表面的物理特性對流體和流體處理部件間的摩擦力有影響。一般說來，例如，較光滑的表面會減小摩擦力而較粗糙的表面增加摩擦力。此外，由不被沾溼的材料例如聚四氟乙烯(PTFE)製成的表面對流體顯示相對較低的摩擦力。不被液體沾溼的表面稱為「憎液」表面。如果液體是水，這樣的表面可以說是憎水的，對於其它液體則是憎液的。
先前在減小流體處理系統流體摩擦力方面的努力只是取得部分成功。通過提供更光滑的流體接觸面可以減小流體摩擦力，而減小可以達到的量是有限的。同樣，使用通常的具有改良的表面沾溼特性的材料例如PTFE，可以在摩擦特性上有所改進，但改進的程度有限。而且，基於流體和使用的材料的兼容性，材料的選擇會受到限制。
最近的一些工作集中在開發用於流體處理應用，特別是微流體應用的特殊的「超憎液」表面上。一般說來，如果一個表面不被沾溼的的程度達到一小滴水或其它液體與該表面有很大的靜態接觸角(大於約120度)，如果該表面顯示保持液滴的傾向明顯減少，或者如果完全浸入液體中時該表面存在液-氣-固接口，該表面可以被稱為超憎水表面或超憎液表面。在本申請中，「超憎液」一詞一般既指超憎水表面，又指超憎液表面。
與通常的表面相比，對超憎液表面來說，液體和表面之間的摩擦可以顯著降低。其結果是，超憎液表面非常適於在許多液力和流體力學方面的應用，特別是微流體的應用中大幅減少表面摩擦和增強流動性。
眾所周知的是表面粗糙程度對表面的沾溼程度有重要影響。通常觀察到的是，在某些情況下粗糙可以使其表面比相應的光滑表面更容易沾附液體。然而在其它情況下，粗糙可以使粗糙表面比相應的光滑表面更不容易沾附液體。在某些情況下，表面可以是超憎液的。
以前曾經做過在表面上有意增加粗糙程度以產生超憎液表面的努力。粗糙化的表面通常採用具有許多微米至納米尺度的突起或凹穴，在此稱為「凸(凹)體」的基底部件的形式，。
以前在產生具有微米/納米尺度凸(凹)體的超憎液表面的努力只是取得部分成功。一般說來，已有技術的表面在液滴被小心地放置在該表面上的情況下顯示超憎液特性，但是當液滴與表面發生碰撞或表面浸入液體中時這一特性通常會消失。
而且，在需要使用超憎液表面的流體處理應用中的流體壓力往往超過一個大氣壓，在極端的應用中可以達到幾百個大氣壓。目前產生的超憎液表面只在不超過0.1個大氣壓的情況下才能作為有效的超憎液表面，這嚴重限制了這種表面在流體處理部件應用中的適用性。
還有，已有技術的超憎液表面經常用脆弱的聚合物或化學塗層沉積在基底上形成。這些塗層物理上容易被損壞，甚至被流體的壓力損壞，而失去作用。流體處理部件的應用一般需要耐用的流體接觸表面以便具有合理長的有效壽命。
排空能力也經常是流體處理系統的一個重要特性。無論是否出於維修或其它的原因，有些時候一般均須排空大部分流體處理系統。由於多種原因，此時候通常希望從系統中排除儘可能多的流體。而且，在例如半導體加工的應用中，為了使不希望的加工汙染降至最小，從系統中實質上排空所有的流體至關重要。
在傳統的流體處理系統中，流體和流體接觸面之間通常有足夠的粘附力，使得一個個的流體液滴附著在系統的流體接觸表面上。這些液滴不易去除，而且在一個龐大的系統中會包括相當數量的流體。
在工業上仍需要具有可在壓力下明顯減小流體摩擦的特性並有改進的排空能力特性的流體處理部件。

發明內容
本發明包括具有在液壓達到和超過一個大氣壓時仍具有超憎液特性的持久超憎液接觸表面的流體處理部件。該表面一般包括設置有許多凸出的形狀規則的微米或納米尺度的凸(凹)體，使得表面具有預先確定的等於或超過接觸線密度值「ΛL」的接觸線密度，接觸線密度通過每平方米表面面積的接觸線的米數來衡量，ΛL由下列公式確定
其中γ是以牛頓每米為單位的液體表面張力，θa，0是以實驗測得的液體在凸(凹)體材料上以度為單位的實際前進接觸角，ω是凸(凹)體以度為單位的上升角。
凸(凹)體可以在基底材料本身之內或之上形成，或者形成於基底表面上的一層或幾層材料中。凸(凹)體可以是任何形狀規則或不規則的三維實心或空心體並可以設置成任何規則的幾何圖形或任意設置。
本發明還可包括製造具有在液壓最高至預定壓力值時仍具有超憎液特性的流體接觸表面的流體處理部件的方法。該方法包括如下步驟選擇凸(凹)體上升角；根據下列公式確定臨界接觸線密度值「ΛL」 其中P是預定的壓力值，γ是液體表面張力，θa，0是以實驗測得的液體在凸(凹)體材料上以度為單位的實際前進接觸角，ω是凸(凹)體的上升角；提供基底部件；以及在基底上形成許多凸出的凸(凹)體使表面具有實際上等於或大於臨界接觸線密度的實際接觸線密度。
凸(凹)體可以採用光刻工藝、或使用納米加工、微衝壓、微接觸印刷、自組裝金屬膠體單分子膜、原子力微複製納米加工、溶膠-凝膠模製法、自組裝單分子膜定向圖案化工藝、化學蝕刻、溶膠-凝膠衝壓法、膠體墨水印刷法形成，或者在基底上設置一層平行的納米碳管來形成。該方法還可以進一步包括根據下列公式確定以米為單位的臨界凸(凹)體高度值「Zc」的步驟 其中d是兩相鄰的凸(凹)體之間以米為單位的距離，θa，0是液體在表面上以度為單位的實際前進接觸角，ω是以度為單位的凸(凹)體上升角。
預計具有超憎液接觸面20的流體處理部件將顯示急劇減小的流體摩擦特性，這將大大提高流體處理系統的效率並增進流體流量。由於表面使液滴懸浮的傾向，使得液滴在重力作用下沿著任何表面斜坡的方向自由滾動，排水能力會大大提高。超憎液表面會持久產生作用，在流體壓力最高達到根據上述方法選擇的設計壓力時仍顯示超憎液特性。
還可預計到其它的有益特性。例如，由於表面對液態水排斥的傾向，超憎液接觸面20預計會抗生物膜生長。因此本申請的流體處理部件可以用在期望抑制生物膜生長的地方，例如溫水儲存和循環系統。


圖1a為具有根據本發明的超憎液接觸面的一定長度管道的局部縱向剖視圖。
圖1b為圖1a所示的一定長度管道的剖視圖。
圖1c為根據本發明的、連接兩部分管子的90度彎管接頭的局部縱向剖視圖。
圖1d為根據本發明的雙通閥部件的剖視圖。
圖1e為根據本發明的三通閥部件的剖視圖。
圖1f為根據本發明的管內流量計部件的剖視圖。
圖1g為根據本發明的管內流量計觀察管的剖視圖。
圖1h為根據本發明的超憎液表面的大倍數放大透視圖，其中多個納米/微米尺度的凸(凹)體呈矩形陣列排列。
圖2為圖1的表面的一部分的俯視圖。
圖3為圖2所示的表面部分的側視圖。
圖4為本發明另一個實施例的局部俯視圖，其中的凸(凹)體呈六角形陣列排列。
圖5為圖4的實施例的側視立面圖。
圖6為表示懸浮在凸(凹)體之間的液體發生曲折的側視立面圖。
圖7為表示一定量的液體懸浮在凸(凹)體的頂部的側視立面圖。
圖8為表示液體接觸凸(凹)體之間的空間的底部的側視立面圖。
圖9為本發明另一個實施例的單個凸(凹)體的側視立面圖，其中凸(凹)體的上升角是銳角。
圖10為本發明另一個實施例的單個凸(凹)體的側視立面圖，其中凸(凹)體的上升角是鈍角。
圖11為本發明另一個實施例的單個凸(凹)體的局部俯視圖，其中凸(凹)體是圓柱形的並呈矩形陣列排列。
圖12是圖11的實施例的俯視立面圖。
圖13是不同形狀和排列的凸(凹)體的接觸線密度的公式列表。
圖14是本發明另一個實施例的側視立面圖。
圖15是圖14的實施例的俯視立面圖。
圖16是本發明另一個實施例的單個凸(凹)體的俯視圖。
具體實施例方式
在本申請中，「流體處理部件」一詞泛指管道，管子，接頭，閥，流量計，罐，泵和任何其它可以用來處理，運輸，盛放或輸送流體的裝置或部件。「流體接觸面」一詞泛指流體處理部件的任何可能接觸流體的表面或部分。「流體處理系統」一詞指流體處理部件的任何一種容許液體流動的相互連接的構造。
圖1a-圖1g所示為根據本發明的流體處理部件的各種實施例。在圖1a和圖1b中一定長度的管子100具有管體102和貫通管體的管腔104。基底106設為管腔104的護襯。超憎液流體接觸面20形成於基底106上並面向裡以接觸流過管腔104的流體。基底106可以通過膜插入成型法加至管體102上，這一方法披露於在審批過程中的申請號為10/304,459，名稱為「供流體控制裝置用的功能聚合物膜插入成型方法」的美國專利申請中，本專利申請的申請人共有該專利申請，該申請的全部內容均被引用於此。儘管圖1a和圖1b的實施例中所示的是單獨的基底106，但是應當知道在其它的實施例中，管體102可以作為具有在其面向內的表面上直接形成超憎液流體接觸面20的基底。也應當知道，超憎液流體接觸面可以延伸至管子100整個長度或者選擇性地位於流動狀態至關重要的任何所需位置。
圖1c所示為一種連接兩節管子110的90度彎管接頭108形式的流體處理部件的另一實施例。彎管接頭108有具有超憎液流體接觸面20直接位於其內表面114的管體部分112。每一根管子118的內表面116也可以是超憎液流體接觸面20。當然，應當容易知道超憎液流體接觸面20可以設置在任何形狀或尺寸的管道，管子，接頭和通道上。例如，雖然在圖1c中只表示了90度彎管接頭，但是其它接頭，例如巨肘彎頭，T型彎頭，Y型彎頭以及衛生器具接頭，岐管等等也可以設置本發明的超憎液流體接觸面。
另外，其它更複雜的流體處理部件，例如圖1d所示的雙通閥120也可以設置超憎液流體接觸面20。雙通閥120通常包括閥體122和閥杆124。閥體122通常包括被連續流道130連接的入口126和排出口128。閥杆124包括手柄132，杆134和密封面136。超憎液流體接觸面20可以形成在雙通閥120的全部沾溼表面上，包括入口126，排出口128和流道130或任何所需位置。超憎液流體接觸面20還可以形成在閥杆134的沾溼部分上。
圖1e所示為流體處理部件138的另一個實施例。在圖1e中，三通閥140包括具有入口144，第一排出口146和第二排出口148的閥體142。三通閥140還包括在中心閥腔152內的閥杆150。第一排出口146和第二排出口148設有倒鉤的端部，以便於與流體迴路的其它部分相互連接。同樣，超憎液流體接觸面20可以形成在閥體142的和閥杆150的全部沾溼表面上或經選擇的任何部分上。
顯然超憎液流體接觸面20可以應用到任何閥結構上。這些閥結構可以包括任何數目的入口和排出口，各種閥連接，包括雌雄螺紋連接器和衛生潔具的連接器。另外，根據本發明的超憎液流體接觸面可以供選擇地廣泛應用到各種閥杆，包括用在球閥，閘閥和隔膜閥中的閥杆上。
如圖1f和圖1g所示，流體處理部件可以是流量計部件154的形式。流量計部件154通常包括入口156和排出口158，觀察管160和浮子162。在所述的實施例中，超憎液流體接觸面20可以形成於流量計部件154的全部沾溼表面上。在圖1g所示的實施例中，觀察管160具有內基底164，並有超憎液流體接觸面20位於基底164的內表面166上。應當知道，超憎液流體接觸面20可以應用到任何流體監視裝置上，包括具有傳送流體流動數據的傳感器的流量計上。在這樣的實施例中，超憎液流體接觸面20可以形成在使用明輪，渦輪，磁體和其它在工業上通用的流動傳感裝置的傳感器上總之，應當知道的是超憎液流體接觸面20可以用於任何需要具有這些特性的流體處理部件。這樣的流體處理部件的其它例子可以包括例如泵，噴嘴，溢流裝置，以及液壓部件，如氣缸，的流體流動裝置。容易知道本發明的超憎液流體接觸面20可以有益地應用到微流體處理部件，特別是可使用較高流體壓力的地方。
現在回到圖1h，其所示為超憎液流體接觸面20的大倍數放大圖。超憎液流體接觸面20通常包括具有許多突起的凸(凹)體24的基底22。每一個凸(凹)體24具有多個側面26和頂面28。每一個凸(凹)體24具有一寬度，在圖中用「x」表示，以及一高度，在圖用「z」表示。
如圖1h-圖3所示，凸(凹)體24排列成規則的矩形陣列，每一個凸(凹)體與相鄰的凸(凹)體之間有一個間距，在圖中用「y」表示。凸(凹)體24的頂緣30所對的角用_表示，凸(凹)體24的側面26相對於基底22的上升角用ω表示。角_和角ω的和為180度。
通常，超憎液流體接觸面20上存在液-固-氣接口時會顯示超憎液特性。如圖7所示，如果液體32隻接觸其頂部28和臨近凸(凹)體24的頂緣30的側面26的一部分，在凸(凹)體之間的空間34中填有空氣和其它氣體，必然存在液-固-氣接口。液體被稱為「懸浮」在凸(凹)體24的頂部和頂緣30之間。
下文將要說明的是，液-固-氣接口的形成取決於某些相關的凸(凹)體24的幾何參數和液體的特性。根據本發明，可以對凸(凹)體24的幾何特性進行選擇，使得超憎液流體接觸面20在任何所需的液體壓力下顯示超憎液特性。
參照圖1h-圖3的矩形陣列，表面20可以分成圍繞每一個凸(凹)體24的相同的區域36，其邊界用虛線表示。在每一個相同區域36的凸(凹)體的面積密度(δ)可由下列等式描述，=12y2,---(1)]]>其中y是凸(凹)體之間以米表示的間距。
如圖1h-圖3所示的具有正方形剖面的凸(凹)體24，其頂部28的頂緣30的周長(p)p＝4x， (2)其中x是凸(凹)體以米表示的寬度。
周長p可以稱為確定液-固-氣接口位置的「接觸線」。作為每單位表面面積的接觸線長度的表面接觸線密度(Λ)，是周長(p)和凸(凹)體面積密度(δ)的乘積，因此Λ＝pδ。(3)對於如圖1-圖3所示的正方形凸(凹)體的矩形陣列而言Λ＝4x/y2。 (4)如果作用於流體的重力所產生的體積力(F)小於作用於凸(凹)體的接觸線的表面力(f)，一定量的流體會懸浮在凸(凹)體24的頂部。與重力有關的體積力(F)可由下列公式確定F＝ρgh，(5)其中(ρ)是液體的密度，(g)是重力加速度，(h)是液體的深度。因此，例如，對於密度約為1000kg/m3的10米的水柱，體積力(F)將為F＝(1000kg/m3)(9.8m/s2)(10m)＝9.8×104kg/m·2-s另一方面，表面力(f)取決於液體的表面張力(γ)，凸(凹)體24的側面26相對於垂線的表觀接觸角θs，凸(凹)體的接觸線密度(Λ)和液體的表觀接觸區域(A)有關f＝-ΛAγcosθs。
(6)液體在特定固體材料上的實際前進接觸角(θa，0)定義為液體在實質上沒有凸(凹)體的材料的表面上實驗測得的最大靜態接觸角。實際前進接觸角通過本領域的公知技術很容易測得。
在具有凸(凹)體的表面上的懸浮液滴在凸(凹)體的側面顯示實際前進接觸角(θa，0)。在凸(凹)體側面相對垂線的接觸角(θs)通過_和ω與實際前進接觸角(θa，0)的關係如下
θs＝θa，0+90°-_＝θa，0+ω-90°(7)使F和f相等，求出接觸線密度Λ，便可確定臨界接觸線密度參數ΛL，用於預測表面的超憎液特性， 其中(ρ)是液體的密度，(g)是重力加速度，(h)是液體的深度，(γ)是液體的表面張力，ω是凸(凹)體的側面相對於基底以度為單位的上升角，(θa，0)是實驗測得的液體在凸(凹)體材料上的以度為單位的實際前進接觸角。
如果Λ＞ΛL，液體會懸浮在凸(凹)體24的頂部，產生超憎液表面。反之，如果Λ＜ΛL，液體會塌陷在凸(凹)體上，表面的接觸接口會只有液/固接口，不具超憎液特性。
應當知道，通過在上述給定等式的分子中替換一個適當的值，便可確定一個臨界接觸線密度，設計出任何所需壓力值下能保持超憎液特性的表面，該等式可以歸納如下 其中P是表面必須顯示超憎液特性的以千克/平方米表示的最大壓力，γ是以牛頓/米表示的液體表面張力，θa，0是實驗測得的液體在凸(凹)體材料上的以度為單位的實際前進接觸角，ω是凸(凹)體以度為單位的上升角。
一般預期，根據上述關係形成的表面20會在最高達到並包括上面的方程(9)中所用的P值的流體壓力下顯示超憎液特性。無論表面是浸入液體，受液體噴射或噴灑，或受到個別液滴的撞擊，都會顯示超憎液特性。
根據上述關係，表面20在一個大氣壓的液體壓力，相當於約10,330kg/m2下，會顯示超憎液特性，其中表面20的接觸線密度Λ等於或超過由下式確定的臨界接觸線密度ΛL 其中γ是以牛頓/米表示的液體表面張力，θa，0是實驗測得的液體在凸(凹)體材料上的以度為單位的實際前進接觸角，ω是凸(凹)體以度為單位的上升角。
一旦臨界接觸線密度值確定，剩下的凸(凹)體的幾何參數可以根據接觸線密度方程給出的x和y的關係確定。換句話說，可以通過選擇接觸線等式中的x或y值，求出其它變量，從而確定表面的幾何形狀。
如圖6所示，液接口在相鄰的凸(凹)體之間向下曲折一個量D1。如果量D1大於凸(凹)體24的高度(z)，液體會在凸(凹)體24間的一個點接觸基底22。如果發生這種情況，液體會進入空間34，並塌陷於凸(凹)體上，破壞表面的超憎液特點。D1的值代表一個臨界的凸(凹)體高度(Zc)，可根據下式確定， 其中(d)是相鄰凸(凹)體之間的距離，ω是凸(凹)體的上升角，θa，0是實驗測得的液體在凸(凹)體材料上的實際前進接觸角。凸(凹)體24的高度(z)必須至少等於，最好大於臨界凸(凹)體高度(Zc)。
儘管在圖1h-圖3中，凸(凹)體的上升角ω為90度，其它的凸(凹)體幾何形狀也是可以的。例如，ω可以是如圖9所示的銳角或如圖10所示的鈍角。一般說來，ω最好在80到130度之間。
還應當知道各種不同的凸(凹)體形狀和排列方式都可能包含在本發明的範圍內。例如，凸(凹)體可以是如圖11和圖12所示的多面體，圓柱體，以及橢圓柱或任何其它合適的三維形狀。另外，可以使用各種各樣的辦法使凸(凹)體的接觸線密度最大化。如圖14和15所示，可以形成具有底部38和頂部40的凸(凹)體24。頂部40上頂緣30的較大周長增加了表面的接觸線密度。同樣，例如可以在如圖16所示的凸(凹)體24上形成諸如凹部42的特徵，以增加頂緣30的周長，從而增加接觸線密度。凸(凹)體也可以是在基底上形成的凹穴。
凸(凹)體可以排列成如上所述的矩形陣列，如圖4-5所示的六邊形那樣的多邊形陣列，或圓形或卵形排列。只要能維持臨界接觸線密度，凸(凹)體也可以隨機分布，儘管這樣的隨機排列可能使超憎液特性小於預計特性且不是較佳方式。在隨意分布的情況下，臨界接觸線密度和其它相關參數可以視為是表面的平均值。在圖13的表格中，列出了計算各種其它凸(凹)體形狀和排列的接觸線密度的公式。
一般說來，基底材料可以是任何適於在其上面形成微米或納米尺度凸(凹)體的材料。凸(凹)體可以通過光刻或多種適宜的方法直接在基底材料本身上形成，或者在沉積在基底上的一層或多層其它材料上形成。一種適合形成微米/納米尺度凸(凹)體的光刻方法披露於公布號為WO02/084340的PCT專利申請中，該申請的全部內容均被引用於此。
其它適於形成所需形狀和間距的凸(凹)體的方法包括披露於第2002/00334879號美國公開專利申請中的納米加工工藝，披露於第5,725,788號美國專利中的微衝壓工藝，披露於第5,900,160號美國專利中的微接觸印刷工藝，披露於第5,609,907號美國專利中的自組裝金屬膠體單分子膜法，披露於第6,444,254號美國專利中的微衝壓工藝，披露於第5,252,835號美國專利中的原子力微複製納米加工工藝披露於第6,403,388號美國專利中的納米加工工藝，披露於第6,530,554號美國專利中的溶膠-凝膠模製法，披露於第6,518,168號美國專利中的表面自組裝單分子膜定向圖案化工藝，披露於第6,541,389號美國專利中的化學蝕刻，披露於第2003/0047822號美國公開專利申請中的溶膠-凝膠衝壓法，以上內容均被引用於此。納米碳管結構也可以形成所需的凸(凹)體幾何形狀。納米碳管結構的例子披露於第2002/0098135號和第2002/0136683號美國公開專利申請中，也被全文被引用於此。也可以用公知的使用膠體墨水印刷法形成合適的凸(凹)體結構。當然，應當知道的是任何形成精確形成微米/納米尺度凸(凹)體的其它方法也可以使用。
預計具有超憎液流體接觸面20的流體處理部件會具有急劇減小流體摩擦的特性，這將會極大提高流體處理系統的效率和提高流體的流動能力。由於表面使液滴懸浮的傾向，使得液滴在重力作用下沿著任何表面斜坡的方向自由滾動，排水能力會大大提高。超憎液表面會持久產生作用，在流體壓力高達到根據上述方法選擇的設計壓力時仍顯示超憎液特性。
預計還會有其它的有益特性。例如，由於表面的憎水傾向，超憎液流體接觸面20預計會阻止生物膜的生長。因此，本申請的流體處理部件可以用在期望抑制生物膜生長的地方，例如溫水儲存和循環系統中。
權利要求
1.一種流體處理部件，其特徵是包括具有至少一個流體接觸表面部分的本體，所述流體接觸表面部分包括具有許多形狀實質上相同的凸(凹)體的基底，每個凸(凹)體具有相對基底的相同凸(凹)體上升角，該凸(凹)體的位置使超憎液表面的以接觸線米數/平方米表面積計量的接觸線密度等於或大於按以下公式確定的接觸線密度值「ΛL」 其中，γ是和上述表面接觸的液體的表面張力，單位為牛頓/米，θa，0是通過實驗測量出的凸(凹)體材料上液體的實際前進接觸角，單位為度，ω是凸(凹)體上升角，單位為度，其中在至少一個大氣壓時，該表面與流體呈現一個液-固-氣界面。
2.根據權利要求1所述的部件，其特徵是上述凸(凹)體是凸出體。
3.根據權利要求2所述的部件，其特徵是上述凸(凹)體是多面體形狀。
4.根據權利要求2所述的部件，其特徵是每一個凸(凹)體具有一般為正方形的橫截面。
5.根據權利要求2所述的部件，其特徵是上述凸(凹)體是圓柱形或橢圓柱形。
6.根據權利要求1所述的部件，其特徵是上述凸(凹)體是形成於基底上的凹穴。
7.根據權利要求1所述的部件，其特徵是上述凸(凹)體排列成實質上統一的陣列。
8.根據權利要求7所述的部件，其特徵是上述凸(凹)體排列成矩形陣列。
9.根據權利要求1所述的部件，其特徵是上述凸(凹)體具有相對基底部分的實質上統一的高度，並且該凸(凹)體高度大於按以下公式確定以米計量的臨界凸(凹)體高度「Zc」 其中d是相鄰凸(凹)體間的距離，單位為米，θa，0是通過實驗測量出的凸(凹)體材料上液體的實際前進接觸角，單位為度，ω是凸(凹)體上升角，單位為度。
10.根據權利要求1所述的部件，其特徵是該部件包括具有含內表面的管腔的管子，其中至少一個流體接觸表面部分是在上述內表面上。
11.根據權利要求1所述的部件，其特徵是該部件為閥。
12.根據權利要求1所述的部件，其特徵是該部件為流體移動裝置。
13.根據權利要求12所述的部件，其特徵是該流體移動裝置為泵。
14.一種製造具有用於與表面接觸的液體的壓力為至少一個大氣壓時排斥液體的超憎液表面的流體處理部件的方法，其特徵是該方法包括提供包括具有外表面的基底的流體處理部件；以及在基底的外表面上形成許多形狀實質上統一的凸(凹)體，每個凸(凹)體具有相對基底部分的相同凸(凹)體上升角，這些凸(凹)體的位置使上述超憎液表面的以接觸線米數/平方米表面積計量的接觸線密度等於或大於按以下公式確定的接觸線密度值「ΛL」 其中γ是和上述表面接觸的液體的表面張力，單位為牛頓/米，θa，0是通過實驗測量出的凸(凹)體材料上液體的實際前進接觸角，單位為度，ω是凸(凹)體上升角，單位為度。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵是該凸(凹)體是通過光刻法形成。
16.根據權利要求14所述的方法，其特徵是上述凸(凹)體是按選自下組方法中的一種方法形成，該組方法包括納米加工工藝、微衝壓工藝、微接觸印刷工藝、自組裝金屬膠體單分子膜工藝、原子力微複製納米加工工藝、溶膠-凝膠模製法、自組裝單分子膜定向圖案化工藝、化學蝕刻法、溶膠-凝膠衝壓法、膠體墨水印刷法以及在基底上排列一層平行的納米碳管的方法。
17.一種製造具有在液壓高達設定壓力值時具有超憎液特性的液體接觸表面的流體處理部件的方法，其特徵是該方法包括選擇凸(凹)體上升角；按照以下公式確定臨界接觸線密度「ΛL」 其中，P是設定壓力值，γ是液體的表面張力，θa，0是通過實驗測量出的凸(凹)體材料上液體的實際前進接觸角，單位為度，ω是凸(凹)體上升角，提供具有基底的流體處理部件；以及在基底上形成許多凸起的凸(凹)體，使表面具有等於或大於臨界接觸線密度的實際接觸線密度。
18.根據權利要求17所述的方法，其特徵是該凸(凹)體是通過光刻法形成。
19.根據權利要求17所述的方法，其特徵是上述凸(凹)體是用選自下組方法中的一種方法形成，該組方法包括納米加工工藝、微衝壓工藝、微接觸印刷工藝、自組裝金屬膠體單分子膜工藝、原子力微複製納米加工工藝、溶膠-凝膠模製法、自組裝單分子膜定向圖案化工藝、化學蝕刻法、溶膠-凝膠衝壓法、膠體墨水印刷法或在基底上排列一層平行的納米碳管的方法。
20.根據權利要求17所述的方法，其特徵是還包括選擇凸(凹)體幾何形狀的步驟。
21.根據權利要求17所述的方法，其特徵是還包括選擇凸(凹)體陣列形式的步驟。
22.根據權利要求17所述的方法，其特徵是還包括選擇至少一種凸(凹)體尺寸和利用接觸線密度等式確定至少一種其它凸(凹)體尺寸的步驟。
23.根據權利要求17所述的方法，其特徵是還包括按照以下公式確定以米計量的臨界凸(凹)體高度值「Zc」 其中，d是相鄰凸(凹)體間的距離，單位為米，θa，0是表面上液體的實際前進接觸角，單位為度，ω是凸(凹)體的上升角，單位為度。
24.一種流體處理系統，其特徵是包括具有包括至少一個流體接觸表面部分的本體的至少一個流體處理部件，上述流體接觸表面部分包括其上具有許多形狀實質上相同的凸(凹)體的基底，每個凸(凹)體具有相對基底的相同凸(凹)體上升角，該凸(凹)體的位置使超憎液表面的以接觸線米數/平方米表面積計量的接觸線密度等於或大於按以下公式確定的接觸線密度值「ΛL」， 其中，γ是和上述表面接觸的液體的表面張力，單位為牛頓/米，θa，0是通過實驗測量出的凸(凹)體材料上液體的實際前進接觸角，單位為度，ω是凸(凹)體上升角，單位為度，其中在至少一個大氣壓時，該表面與流體呈現一個液-固-氣界面。
25.根據權利要求24所述的系統，其特徵是上述凸(凹)體是凸出體。
26.根據權利要求25所述的系統，其特徵是上述凸(凹)體是多面體形狀。
27.根據權利要求25所述的系統，其特徵是每一個凸(凹)體具有一般為正方形的橫截面。
28.根據權利要求25所述的系統，其特徵是上述凸(凹)體是圓柱形或橢圓柱形。
29.根據權利要求24所述的系統，其特徵是上述凸(凹)體是形成於基底上的凹穴。
30.根據權利要求24所述的系統，其特徵是上述凸(凹)體排列成實質上統一的陣列。
31.根據權利要求30所述的系統，其特徵是上述凸(凹)體排列成矩形陣列。
32.根據權利要求24所述的系統，其特徵是該凸(凹)體具有相對基底部分的實質上統一的高度，並且該凸(凹)體高度大於按以下公式確定的臨界凸(凹)體高度「Zc」 其中d是相鄰凸(凹)體間的距離，單位為米，θa，0是通過實驗測量出的凸(凹)體材料上液體的實際前進接觸角，單位為度，ω是凸(凹)體上升角，單位為度。
33.根據權利要求24所述的系統其特徵是該部件包括具有含內表面的管腔的管子，其中至少一個流體接觸表面部分是在上述內表面上。
34.根據權利要求24所述的系統，其特徵是該部件為閥。
35.根據權利要求24所述的系統，其特徵是該部件為流體移動裝置。
36.根據權利要求35所述的系統，其特徵是該流體移動裝置為泵。
全文摘要
一種具有持久超憎液流體接觸表面的流體處理部件，該表面在液體壓力達到一個大氣壓或更高時仍能夠顯示超憎液特性。該表面通常包括設置有許多凸出的形狀規則的微米或納米尺度的凸(凹)體的基底部分，使得表面具有等於或大於按以下公式確定的接觸線密度值「Λ
文檔編號B01L3/00GK1806127SQ200480016234
公開日2006年7月19日 申請日期2004年4月15日 優先權日2003年4月15日
發明者查爾斯·W·艾克斯川德 申請人:安堤格裡斯公司