一種用於液滴遠程精確驅動的光熱自潤滑油凝膠的製備方法與流程

2023-05-21 08:32:21

本發明屬於界面物理化學技術領域，具體來說，是指一種用於液滴遠程精確驅動的光熱自潤滑油凝膠的製備方法。

背景技術：

傳統開放體系下液滴的驅動大多需要在材料表面構建精細的微納米結構(或電極陣列)和大的浸潤性梯度以克服其阻礙。低表面張力的液滴在克服其阻礙的過程中往往更容易失效。高的製備成本和經化學修飾的材料表面的汙染，極大的限制了這些材料的應用。此外，遠程精確驅動一直都是這一領域的巨大挑戰。光熱自潤滑油凝膠表面有效地解決了傳統開放體系下可用於液滴驅動的材料表面存在的弊端。

接觸角滯後和接觸線固定通常會阻礙液滴的運動。接觸角是液滴在水平材料表面呈現出的角度，主要用來說明材料表面疏水性；接觸角滯後是液滴在材料表面前進角與後退角的差值，主要用來說明液滴在材料表面運動的阻力特徵；滑動角是通過傾斜材料表面得到的直接測量值。接觸角滯後和滑動角是材料表面動態疏水性的表徵。接觸角滯後和滑動角越小，說明液滴在材料表面所受的粘滯力越小。

技術實現要素：

本發明提供一種通過液體溶脹光熱納米顆粒/聚二甲基矽氧烷(PDMS)複合材料製備可用於材料表面液滴遠程精確驅動的光熱自潤滑油凝膠表面的方法。傳統的用於開放體系下液滴，其驅動的材料表面不能實現對於不同表面張力液滴的遠程精確驅動，同時還有成本高且材料易汙染等問題，因此本發明為實現液滴驅動提供了更好的材料。

本發明通過將光熱納米顆粒與聚二甲基矽氧烷及固化劑混合、加熱實現材料固化，將固化後的複合材料浸泡到潤滑液中溶脹，得到光熱自潤滑油凝膠表面。

本發明製備的光熱自潤滑油凝膠表面對不同表面張力液滴的接觸角滯後和滑動角均小於5°，說明外來液滴在光熱自潤滑油凝膠表面所受粘滯力小，可實現對近紅外雷射的快速響應，在光熱自潤滑油凝膠表面形成大的局部溫度梯度場，進而可實現液滴在光熱自潤滑油凝膠表面驅動的遠程精確驅動。通過調節近紅外雷射的照射點位置和方向，液滴可實現以大於587μms-1的平均速度沿設定的複雜軌跡移動，或者在傾斜表面克服重力向上爬升。本方法對實驗條件要求低，且具有優異的液滴遠程精確驅動的性能。

本發明的優點在於：

1、本發明提供的製備方法，操作簡單、製作成本低、製備周期短，可以實現大規模生產。

2、本發明製備的光熱自潤滑油凝膠表面對於近紅外雷射激發能夠迅速響應。

3、本發明製備的光熱自潤滑油凝膠表面對於用於液滴驅動所需的近紅外雷射的功率要求低。

4、本發明製備的光熱自潤滑油凝膠表面對於不同表面張力的液滴的接觸角滯後和滑動角均小於5°。

5、本發明製備的光熱自潤滑油凝膠表面能夠實現液滴驅動方向、速度、距離的可逆驅動。

6、本發明製備的光熱自潤滑油凝膠表面可適應於不同表面張力液滴的驅動。

7、本發明製備的光熱自潤滑油凝膠表面能夠抵抗外來液滴的汙染，易於清洗，可重複使用。

8、本發明製備的光熱自潤滑油凝膠表面對於開放或全封閉體系中的液滴均能實現優異的驅動效果。

附圖說明

圖1為納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面的製備示意圖；

圖2為液滴在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面驅動的機理圖；

圖3-1為水滴分別在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面和聚二甲基矽氧烷表面的接觸角、滑動角和接觸角滯後圖；

圖3-2為近紅外雷射照射下納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面和聚二甲基矽氧烷表面的溫度變化；

圖4為經近紅外雷射照射5s時納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面沿溫度檢測線的溫度和溫度梯度圖；

圖5-1為水滴在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面驅動照片；

圖5-2為丙三醇在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面驅動照片；

圖5-3為酒精在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面驅動照片；

圖5-4為水滴在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面短距離往返運動圖片；

圖5-5為水滴在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面沿預設軌跡運動的疊加圖片；

圖5-6為水滴在傾斜10°的納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面克服重力向上爬升圖片；

圖6為水滴在納米四氧化三鐵/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面驅動照片；

圖7為水滴在石墨烯/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面驅動照片；

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。

本發明提供一種通過液體溶脹光熱納米顆粒/聚二甲基矽氧烷複合材料製備可用於材料表面液滴遠程精確驅動的光熱自潤滑油凝膠表面的方法，圖1為光熱自潤滑油凝膠(PTSG)表面的製備示意圖，具體包括以下幾個步驟：

第一步，光熱納米顆粒/聚二甲基矽氧烷混合液配置：

先將光熱納米填料置於真空乾燥箱進行真空乾燥，然後將真空乾燥後的光熱納米填料、聚二甲基矽氧烷(PDMS)預聚體及矽烷偶聯劑(即固化劑)按一定質量比混合，高速機械攪拌，得到光熱納米顆粒/聚二甲基矽氧烷混合液。(本實驗所用的PDMS為道康寧SYLGARD 184)。所述的光熱納米填料可為納米石墨片、碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、納米四氧化三鐵、金納米棒、硫化銅(CuS)、聚吡咯、多巴胺等具有光熱轉換效應的納米顆粒中的一種。

所述真空乾燥條件為：溫度為80℃，時間為12h。

所述的PDMS預聚體及其固化劑的質量比為：10：1。

所述光熱納米填料在所述的混合液中的質量分數為：1％～10％。

所述機械攪拌條件為：2200～3000rpm，攪拌時間為5～10min。

第二步，光熱納米顆粒/聚二甲基矽氧烷混合液固化：

將第一步充分混合後的光熱納米顆粒/聚二甲基矽氧烷混合液倒入模具中，並置於真空乾燥箱內真空脫泡。然後將真空脫泡後的光熱納米顆粒/聚二甲基矽氧烷混合液置於烘箱內加熱固化，得到光熱納米顆粒/聚二甲基矽氧烷複合材料。

所述真空脫泡的條件為：溫度為室溫；時間為30～60min；真空度為-0.08MPa。

所述加熱固化的條件為：溫度為70℃，時間為4～8h。

第三步，通過潤滑液溶脹固化後的光熱納米顆粒/聚二甲基矽氧烷複合材料：

將第二步固化後的光熱納米顆粒/聚二甲基矽氧烷複合材料浸沒在潤滑液中溶脹，溶脹後所述複合材料表面多餘的潤滑液可藉助重力、旋塗機或氮氣氣流法去除，製得光熱自潤滑油凝膠表面。

所述的潤滑液為矽油、全氟聚醚(PFPE)、全氟辛烷(PO)、全氟三戊胺或FC-770氟化液中的一種。

所述溶脹的溶脹條件為：溫度為室溫；時間為8～48h。

上述方法製備得到的光熱自潤滑油凝膠表面對不同表面張力液滴的接觸角滯後和滑動角均小於5°；可實現對近紅外雷射的快速響應，在所述的光熱自潤滑油凝膠表面形成大的局部溫度梯度場，即經近紅外雷射照射5s時納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面，在照射點的中心6mm範圍內的平均溫度梯度可以達到11.348℃·mm-1，進而可實現液滴在光熱自潤滑油凝膠表面驅動的遠程精確驅動；通過調節光熱自潤滑油凝膠表面近紅外雷射光斑的位置和移動方向，液滴可實現沿設定的複雜軌跡移動，或在傾斜表面克服重力向上爬升。所述的光斑指的是雷射照射在材料表面時形成的斑點。本方法對實驗條件要求低，且具有優異的液滴遠程精確驅動性能。

下面給出具體實施例。

實施例1

納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面的製備，具體步驟為：

第一步，納米石墨片/聚二甲基矽氧烷混合液配置：

先將納米石墨片置於真空乾燥箱中80℃真空乾燥12h，然後將0.579克納米石墨片與聚二甲基矽氧烷(PDMS)預聚體及其固化劑矽烷偶聯劑按質量比為0.579:10:1的比例混合，2200rpm高速機械攪拌5min，得到納米石墨片/聚二甲基矽氧烷混合液。

第二步，納米石墨片/聚二甲基矽氧烷混合液固化：

將第一步充分混合後的納米石墨片/聚二甲基矽氧烷混合液倒入模具中，並置於真空乾燥箱內室溫下脫泡30min；然後將脫泡後的納米石墨片/聚二甲基矽氧烷混合液置於烘箱內70℃固化4h。

第三步，通過潤滑液溶脹固化後的納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合材料：

室溫下，將固化後的納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合材料浸沒在粘度為5cSt的二甲基矽油中溶脹24h，溶脹後材料表面多餘的潤滑液通過將樣品表面垂直地面放置15min，藉助重力去除，從而製得光熱自潤滑油凝膠表面。

圖2為液滴(油滴)在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面驅動的機理圖，圖中γ表示液滴(油滴)的表面張力。納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠在近紅外光的照射下會迅速在其表面形成一個局部溫度梯度場，該溫度梯度會使鄰近的液滴溫度逐漸產生變化，液滴靠近溫度梯度場中心的一側溫度高，遠離溫度梯度場中心一側的溫度低，因而會在液滴表面形成表面張力梯度，在液滴內部會形成馬蘭戈尼(Marangoni)流，這一現象也稱為熱毛細現象。由於納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面接觸角滯後很小，液滴在材料表面運動時所受的粘滯力很小，因而液滴能夠在熱毛細力的作用下向溫度低的一側運動。

利用接觸角測量儀器對水滴在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面和固態聚二甲基矽氧烷表面的接觸角、滑動角和接觸角滯後進行測量，結果見圖3-1可知，納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面的水滴接觸角達到109°，較於固態聚二甲基矽氧烷表面略有增大；滑動角和接觸角滯後均小於5°，較於固態聚二甲基矽氧烷表面有顯著降低，說明水滴在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面運動時所受粘滯力小，為光熱自潤滑油凝膠表面液滴的運動提供有利條件。

利用紅外攝像機對納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面和固態聚二甲基矽氧烷表面在近紅外雷射(808nm，300mW)照射下的溫度變化進行測量，得到材料表面的溫度變化紅外圖像(圖3-2)，可見右側的納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面在近紅外雷射的照射下能夠迅速實現的光熱轉化，1s內即可在材料表面形成局部溫度梯度場，實現快速響應；而左側的未摻雜光熱納米顆粒的固態聚二甲基矽氧烷表面在相同近紅外雷射照射下表面溫度未發生明顯變化。圖4為經近紅外雷射照射5s時納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面沿溫度檢測線的溫度和溫度梯度圖，由圖4可見，在照射點的中心6mm範圍內的最大溫度梯度可達41.515℃·mm-1，平均溫度梯度可以達到11.348℃·mm-1。

圖5-1、圖5-2、圖5-3分別為水滴(表面張力γ＝72.7mNm-1)、丙三醇(表面張力γ＝63.3mNm-1)和酒精(表面張力γ＝22.3mNm-1)在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面的近紅外雷射驅動疊加照片，由圖5-1可見，10μL水滴經過20s的近紅外雷射驅動，在光熱自潤滑油凝膠表面運動了11.74mm，平均運動速度為587μms-1；由圖5-2可見，10μL丙三醇液滴經過24s的近紅外雷射驅動，在光熱自潤滑油凝膠表面運動了24.93mm，平均運動速度為1039μms-1；由圖5-3可見，2μL酒精液滴經過20s的近紅外雷射驅動，在PTSG表面運動了19.91mm，平均運動速度為996μms-1。由此可以證實光熱自潤滑油凝膠表面可實現不同表面張力液滴的快速驅動。對於不同液滴的驅動的平均運動速度大於587μms-1。

由於納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面能夠實現對近紅外雷射的即時響應，因此在該材料表面能夠實現液滴不同的運動形式。如圖5-4所示，水滴在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面近紅外雷射驅動下，可以實現短距離往返運動。如圖5-5所示，水滴在納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面近紅外雷射驅動下，水滴可以沿預設複雜軌跡運動。

由於納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面在近紅外雷射的照射下可在極小範圍內可形成大的溫度梯度，因而可以為液滴驅動提供強大的驅動力。如圖5-6所示，在較水平面向上傾斜10°的納米石墨片/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面，5μL的水滴在重力的作用下向下滑動，而10μL的水滴在近紅外雷射的推動下可以克服重力向上爬升。12s時，兩個液滴融合，此時停止近紅外雷射照射，融合後的液滴在重力作用下沿材料表面向下滑動。

實施例2

納米四氧化三鐵/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面的製備，具體步驟為：

第一步，納米四氧化三鐵/聚二甲基矽氧烷混合液配置：

先將油酸修飾的納米四氧化三鐵酒精分散液冷凍乾燥24h獲得凍乾粉，然後將0.579克納米四氧化三鐵與聚二甲基矽氧烷(PDMS)預聚體及其固化劑按質量比為0.579:10:1的比例混合，3000rpm高速機械攪拌10min，得到納米四氧化三鐵/聚二甲基矽氧烷混合液。

第二步，納米四氧化三鐵/聚二甲基矽氧烷混合液固化：

將第一步充分混合後的納米四氧化三鐵/聚二甲基矽氧烷混合液倒入模具中，並置於真空乾燥箱內常溫下脫泡1h。然後將脫泡後的納米四氧化三鐵/聚二甲基矽氧烷混合液置於烘箱內70℃固化8h。

第三步，通過潤滑液溶脹固化後的納米四氧化三鐵/聚二甲基矽氧烷複合材料：

室溫下，將固化後的納米四氧化三鐵/聚二甲基矽氧烷複合材料浸沒在黏度為5cSt的二甲基矽油中溶脹8h，溶脹後的材料表面多餘的潤滑液通過氮氣氣流去除，從而製得光熱自潤滑油凝膠表面。

圖6為水滴(表面張力γ＝72.7mNm-1)在納米四氧化三鐵/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面的近紅外雷射驅動疊加照片，由圖6可見，5μL水滴經過20s的近紅外雷射驅動，在光熱自潤滑油凝膠表面運動了12.60mm，平均運動速度為630μms-1。

實施例3

石墨烯/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面的製備，具體步驟為：

第一步，石墨烯/聚二甲基矽氧烷混合液配置：

先將石墨烯置於真空乾燥箱中80℃真空乾燥12h，然後將0.579克石墨烯與聚二甲基矽氧烷(PDMS)預聚體及其固化劑按質量比為0.579:10:1的比例混合，2200rpm高速機械攪拌5min，製備得到石墨烯/聚二甲基矽氧烷混合液固化。

第二步，石墨烯/聚二甲基矽氧烷混合液固化：

將充分混合後的石墨烯/聚二甲基矽氧烷混合液倒入模具中，並置於真空乾燥箱內常溫下真空脫泡1h。而後將脫泡後的石墨烯/聚二甲基矽氧烷混合液置於烘箱內70℃固化8h。

第三步，通過潤滑液溶脹固化後的石墨烯/聚二甲基矽氧烷光熱複合材料：

將固化後的石墨烯/聚二甲基矽氧烷複合材料浸沒在黏度為5Cst的二甲基矽油中溶脹48h，溶脹後材料表面多餘的潤滑液通過將樣品表面垂直地面放置15min，藉助重力去除，從而製得光熱自潤滑油凝膠表面。

圖7為水滴(表面張力γ＝72.7mNm-1)在石墨烯/聚二甲基矽氧烷複合光熱自潤滑油凝膠表面的近紅外雷射驅動疊加照片，由圖7可見，10μL水滴經過20s的近紅外雷射驅動，在光熱自潤滑油凝膠表面運動了12.05mm，平均運動速度為603μms-1。