具有t形微结构的高分子材料表面及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及功能结构表面领域，特别涉及一种具有Τ形微结构的高分子材料表面及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]具有“荷叶效应”的功能表面在新能源技术、绿色工程、水下除污、光学、细胞培养、微流控和防尘等方面应用前景广阔，而具有“花瓣效应”的功能表面同时呈现超疏水特性和高粘附特性(滚动角大于90° )，在微液滴的无损输送和微量液滴样本的分析等方面有广阔的应用前景。目前，功能结构表面上的微结构一般为圆柱、圆台、长方体、锥体等形状，实际使用中，具有这些形状的微结构的表面上的Cassie润湿状态稳定性较差，且在受到外部压力或在水下时表面较易被润湿。
[0003]T形微结构使表面呈现大于150°的接触角和低的粘附特性，使表面呈现稳健的Cassie润湿状态。要实现液滴的定量收集和无损输送，表面需要具有一定的粘附特性，并且使不同体积的液滴在表面倾斜不同角度时可滚动。因此，为提高表面液滴粘附力，要在T形微柱的顶面布置较小深宽比的纳米结构，以增加固-液接触面积。目前，并未见采用注塑技术在高分子材料表面成型T形微结构的相关报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有T形微结构的高分子材料表面，其对水的粘附程度适中。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种上述具有T形微结构的高分子材料表面的制备方法。
[0006]本发明的又一目的在于提供一种上述具有T形微结构的高分子材料表面的应用。
[0007]本发明的技术方案为:一种具有T形微结构的高分子材料表面，该表面上分布有有序排列的T形微柱，T形微柱头部顶面分布有纳米沟槽。
[0008]所述T形微柱的横截面为圆形、椭圆形、多边形、弓形或多弧形，所述多弧形为多段弧线首尾相接组成的闭合形状。
[0009]所述T形微柱中，头部的横截面尺寸为20?80 μπκ高度为20?80 μ m，柱体的横截面尺寸为5?35 μπκ高度为20?80 μπι，两相邻Τ形微柱的中心距离为50?100 μmD
[0010]所述微柱头部顶面的纳米沟槽的横截面为多边形或弓形，横截面尺寸为10?900nmo
[0011]优选地，在T形微结构的底面上均匀分布有纳米沟槽。
[0012]上述具有T形微结构的高分子材料表面的制备方法，包括以下步骤:
[0013](1)根据T形微柱的结构，制造相应的柔性模板，柔性模板中分布有用于成型T形微柱的微结构，根据T形微柱头部顶面纳米沟槽的结构，在注塑模具型腔上加工相应的沟槽结构；
[0014](2)将柔性模板安装于注塑模具型腔上，并将注塑模具加热至60?120°C，采用注塑机将高分子材料熔融后注入模具型腔中，高分子熔体填充模具流道以及柔性模板中的微结构和注塑模具型腔上的沟槽结构，从而成型顶面分布有纳米沟槽的T形微柱；
[0015](3)对高分子熔体进行保压和冷却，成型表面上具有T形微结构的高分子材料制品后取出，模板的柔性可使T形微柱被拔出时不会被破坏。
[0016]所述步骤(1)中，柔性模板中用于成型T形微柱头部的横截面尺寸为20?80 μπκ成型Τ形微柱柱体的微结构的横截面尺寸为5?35 μ m，注塑模具型腔上沟槽结构的横截面尺寸为10?900nm。
[0017]所述步骤(2)中，高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、环烯烃共聚物或聚氨酯。
[0018]所成型的具有T形微结构的高分子材料表面上水的接触角大于150°、滚动角为0 ?180。。
[0019]上述具有T形微结构的高分子材料表面上液滴粘附原理如下所述。在具有T形微结构的高分子材料表面上可形成稳健的Cassie润湿状态，防止液滴浸润T形微柱之间的间隙，并呈现超疏水特性；T形微柱头部顶面的纳米沟槽结构较易被液滴浸润，增加固-液接触面积，从而使表面呈现适度的水粘附特性。这种适度的水粘附特性可使不同体积的液滴在倾斜不同角度的表面上滚动，实现液滴的定量收集和无损输送等功能。
[0020]根据液滴在所成型的具有Τ形微结构的高分子材料表面上的临界滚动角与体积之间的关系数据，通过Origin软件拟合获得两者之间的定量关系方程式:y = ax2+bx+c，其中，y为液滴的临界滚动角(单位为° )，X为液滴体积(单位为μ L)，a、b和c是通过拟合获得的相关常数。在建立这两者之间的定量关系式后，即可计算获得不同液滴体积下对应的临界滚动角。
[0021]流道表面布置有T形微结构的微流控器件可用于液滴的定量收集、无损输送或微混合。其中用于液滴微混合时的原理如下所述。微流控器件中的多个流道与水平面成不同角度布置；采用微栗以相同的速率挤出相同体积的多种微液滴分别落在各个流道表面，由于各个流道倾斜不同的角度，根据上述建立的液滴的临界滚动角与体积之间的定量关系式，滴落在各个流道表面的微液滴聚集成不同体积的液滴时滚落到流道的末端，从而实现不同液滴的不同配比的微混合。
[0022]本方法可有效制备表面上呈现适度粘附特性的高分子材料制品，可应用于防尘、防结冰、减阻、微液滴定量收集、无损输送、药物释放控制等方面。
[0023]本发明相对于现有技术，具有以下有益效果。
[0024](1)具有T形微结构的高分子材料表面的制备方法工序简单易操作，所采用的设备为工业生产中较为普遍的连续型加工设备(注塑机)，可实现连续、批量制备，微结构复制精度高，易于在工业中推广，应用前景广阔。
[0025](2)具有T形微结构的高分子材料表面呈现稳健的Cassie润湿状态，对悬浮其上的液滴施加一定的压力或将整个表面浸润至水面以下时，可防止T形微柱之间的间隙被液滴浸润。
[0026](3)分布于T形微柱的头部顶面的纳米沟槽可增大对液滴的粘附力，将具有T形微结构的高分子材料表面倾斜一定的角度后，悬浮其上的液滴累积到临界体积后才会滚动，可用于制作微液滴的定量收集装置。
[0027](4)当流道表面布置有T形微结构的微流控器件用于液滴的微混合时，滴落在各个流道表面的微液滴聚集成不同体积的液滴时滚落到流道的末端，从而实现不同液滴的不同配比的微混合。
【附图说明】
[0028]图la为T形微结构阵列的扫描电子显微镜照片(俯视方向)，对应实施例1。
[0029]图lb为T形微结构阵列的示意图，对应实施例1。
[0030]图2为注塑模具和安装于其型腔上的柔性模板的剖视图，对应实施例1。
[0031]图3a和图3b分别为液滴在水平和垂直放置的具有T形微结构的高分子材料表面的润湿状态照片，对应实施例1。
[0032]图4为液滴在具有T形微结构的表面上的临界滚动角与体积之间的关系图，对应实施例1。
[0033]图5a、图5b、图5c和图5d为液滴在具有T形微结构的高分子材料表面上受到具有相同T形微结构的高分子材料表面挤压前后的照片，对应实施例1。箭头表示表面的移动方向。
[0034]图6a和图6b为液滴在具有T形微结构的高分子材料表面上无损转移时的照片，对应实施例1。
[0035]图7a为流道表面布置有T形微结构的微流控器件的主视图。
[0036]图7b为流道表面布置有T形微结构的微流控器件的侧视图。
[0037]图8为具有T形微结构的高分子材料表面的润湿状态示意图，对应实施例2。
[0038]图9为具有T形微结构的高分子材料表面倾斜20°时液滴滚动示意图，对应实施例2。
[0039]图10为T形微结构阵列的示意图，对应实施例4。
[0040]图11为注塑模具和安装于其型腔上的柔性模板的剖视图，对应实施例4。
[0041]图12为液滴在具有T形微结构的表面上受到平板挤压时的润湿状态示意图，对应实施例4。
【具体实施方式】
[0042]下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0043]实施例1
[0044]本实施例一种具有T形微结构的高分子材料表面1，该表面上分布有有序排列的T形微柱2，其头部3-1顶面分布有纳米沟槽4，如图1所示。
[0045]T形微柱2的横截面为矩形。
[0046]T形微柱2中，头部3-1的横截面宽度为45 μπκ高度为12 μm，柱体3_2的横截面宽度为30 μπκ高度为70 μm，两相邻T形微柱2的中心距离为55 μπι。
[0047]微柱头部3-1顶面纳米沟槽4的横截面为弓形，截面尺寸为900nm。
[0048]上述具有T形微结构的高分子材料表面1的制备方法，包括以下步骤:
[0049](1)根据T形微柱2的结构，制造相应的柔性模板5，其上分布有用于成型T形微柱2的微结构，根据微柱头部3-1顶面纳米沟槽4的结构，在注塑模具6型腔上加工相应的沟槽结构，如图2所示；
[0050](2)将柔性模板5安装于注塑模具6型腔上，并将注塑模具6加热至120°C，采用注塑机将高分子材料熔融后注入模具型腔中，高分子熔体填充模具流道以及柔性模板5中的微结构和注塑模具6型腔上的沟槽结构，从而成型顶面上分布有纳米沟槽4的T形微柱2