专利名称：制造具有超疏水表面结构的固态主体的方法和使用该同种方法制造的超疏水管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造具有超疏水表面结构的固态主体的方法和使 用该同种方法制造的超疏水流体输送管。具体来说，本发明涉及以下 一种制造具有超疏水表面结构的固态主体的方法和使用此方法制造的 超疏水流体输送管，在该方法中通过使用金属体表面处理、复型过程
(replication process )和聚合物粘连现象对表面进行处理，形成一 超疏水固态主体，以提高流体输送效率和防止杂质在管中堆积。
背景技术：
通常，由金属或聚合物形成的固态主体表面具有固有表面能，该 表面能通过液体材料与固态主体材料接触时固态主体与液体之间的接 触角显示。当接触角小于90。时，显示出其中球形水滴散失在固态主 体表面并湿润该表面的亲水性。另外，当接触角大于90。时，显示出 其中球形水滴保持在固态主体表面并在该表面跑动的疏水性。疏水性 的一个例子是，水滴在荷叶表面跑动而不湿润叶子。
进一步，当对固态主体表面进行处理以具有微小突起和凹陷时， 该表面的接触角就会改变。即，经过表面处理后，接触角小于90。的 亲水表面的亲水性可能增加，接触角大于90。的疏水表面的疏水性可 能增加。固态主体的疏水表面可以不同的方式应用如下。疏水表面可 用于空调系统的冷凝器来增强冷凝效能。当疏水表面应用于饮料罐时， 罐中残余可全部被移除从而简化罐的回收处理。还有，当疏水表面应 用于车辆风窗玻璃时，当车内温度和车外温度不同时其可以防止风窗 玻璃蒙上水汽。当疏水表面应用于船舶时，使用相同动力的船舶可以 具有更大推进力。另外，当疏水表面应用于碟形天线时，其可防止碟 形天线的表面被雪覆盖。当疏水表面应用于供应管道时，能提高流体 输送率和流体输送速度。相应地，由于这样的管道不会被杂质阻塞， 所以胆固醇不会在人造血管中堆积，管道内侧不会被腐蚀并且管内的水不会被污染。此外，由于水流率增大，泵的效率也提高。此外，当
上述特征应用于芯片实验室(lab-on—a-chip)的微通道时，通道中 的流体可净皮适当地输送。
然而，为特定目的而改变固态主体表面接触角的技术依赖于应用 半导体制造技术的微机电系统(MEMS)工艺。因此，此技术通常用作一 种在固态主体表面制造纳米级突起和凹陷的方法。微机电系统(MEMS) 工艺是一种应用了半导体技术的先进机械工程技术。然而，半导体工 艺使用的设备非常昂贵。
为了在固态金属体表面形成纳米级的突起和凹陷，需要进行无法 在普通工作环境下操作的多种处理，例如金属表面的氧化处理、应用 恒温恒定电压的处理，以及使用特殊溶液进行氧化和蚀刻的处理。也 就是说，为了进行这些处理，需要特别设计的净化室以及需要各种执 行处理的昂贵设备。
此外，由于半导体工艺的局限， 一个大的表面无法一次处理完。 如上所述，根据传统技术，处理是非常复杂的，且难以大量制造产品。 此外，制造产品的成本也非常高。因此，传统4支术难以应用。
此背景部分所公开的上述信息仅用于加深对本发明背景的理解， 因此其可能含有不构成本领域普通技术领域人员已知的现有技术的信 息。
发明内容
技术问题
本发明致力于提供以下一种制造具有超疏水表面结构的固态主体 的方法和使用此方法制造的超疏水流体输送管，在该方法中通过使用 金属体表面处理、复型过程和聚合物粘附现象对表面进行处理，形成 一超疏水固态主体，以提高流体输送效率和防止杂质在管中堆积。
技术方案
本发明的一个示例实施方案提供一种具有超疏水表面结构的超疏 水流体输送管。这种超疏水流体输送管包括一个导流器和一个固态主 体，其中导流器引导流体。所述固态主体设置在导流器的流体接触表 面并具有微米级不均匀度和具有纳米级直径的突起。这里，所述固态主体包括基体和表面结构。所述基体设置在导流 器的流体接触表面，所述表面结构具有微米级不均勻度，该微米级不
均匀度由多个群聚团(bunch)形成，这些群聚团由多个形成于基体上 并且具有纳米级直径的相邻突起形成。
微米级不均匀度由部分地相互粘连的相邻突起构成。
此外，所述固态主体可包括基体和超疏水表面结构。所述基体形 成在导流器的流体接触表面并且在表面的至少一部分上具有微米级突 起和凹陷。所述超疏水表面结构包括多个分别具有纳米级直径并且沿 着基体的微米级突起和凹陷设置的多个突起。
分别具有纳米级直径的突起由非润湿聚合物材料(non- wetting polymer material )形成。
所述非润湿聚合物材料选自聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共 聚物(f luorinated ethylene propylene copolymer ) (FEP)、 过氟 烷氧基(perf luoroalkoxy ) (PFA)和它们的组合。
所述导流器被成形为用于引导流体的管子。
本发明的另一个实施方案提供一种制造具有超疏水表面结构的固 态主体的方法。在该方法中，金属体表面通过阳极氧化过程形成许多 纳米级孔，通过将该设有纳米级孔的金属体浸没在一种非润湿聚合物 材料中并固化该非润湿聚合物材料形成复型，通过从复型移除金属体 和阳极氧化物形成具有超疏水表面的固态主体，该固态主体被设置到 用于引导流体的导流器的流体接触表面。
所述复型具有许多突起，这些突起由那些填充在所述金属体内形 成的所述纳米级孔内的所述非润湿聚合物材料负性复制(negatively repl icate )而成
所述突起由相邻突起部分地相互粘连而形成许多微米级群聚团。
所述非润湿聚合物材料选自聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共 聚物(FEP)、过氟烷氧基(PFA)、和它们的组合。
所述固态主体具有柔性特征从而使它可应用到导流器的曲面。
图1是根据本发明一个示例实施方案的具有超疏水表面结构的超疏水流体输送管的横截面视图。
图2A至图2F是表示根据本发明的第一示例实施方案的通过加 工超疏水表面来制造固态主体的方法的示意图。
图3是使用颗粒喷射装置而进行的微米级突起和凹陷的加工操作 示意图。
图4是具有微米级突起和凹陷的金属体的立体图。 图5是示出了阳极氧化处理过程的示意图。
图6是示出了在图5中的阳极氧化处理过程之前和之后的状态的 俯#见图和侧视图。
图7是示出了被阳极氧化以具有微米级突起和凹陷的金属体表面 的示意图。
图8A和图8B是具有由阳极氧化过程所形成的纳米级孔的金属体 表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图9是示出了根据本发明第一示例实施方案的固态主体的亲水性 实验示意图。
图10A是应用了根据本发明第一示例实施方案的固态主体的流体 供给管的示意图。
图IOB是示出了传统管路中流体流动的示意图。
图11A是示出了应用了根据本发明第一示例实施方案的固态主体
的管中的杂质流动的示意图。
图IIB是传统管路中杂质流动的示意图。
图12是示出使用根据本发明一个示例实施方案的固态主体的输 油管系统的示意图。
图13是示出了使用根据本发明一个示例实施方案的固态主体的 芯片实验室的示意图。
图14A至图14D是示出了根据本发明第二示例实施方案的通过加 工超疏水表面来制造固态主体的方法的示意图。
图15A和图15B是具有超疏水表面的固态主体的扫描电子显微镜 (SEM)图像，该超疏水表面利用由范德瓦尔斯力产生的粘连现象形成。
图16是根据本发明第二示例实施方案的固态主体表面与液体的 接触角的照片。<附图中指示主要元件的参考数字的说明>
10...导流器 20...固态主体 30...颗粒喷射装置 31...喷嘴 33...金属体 35...微细颗粒 37...微米级突起和凹陷 39...纳米级孔
40...阳极氧化设备 50...水供给管 61...输油管 63...增压设备 70...芯片实验室
最佳实施方式
在下面的详细说明中，将参照附图描述根据本发明示例实施方案 的具有超疏水表面结构的固态主体的制造方法和使用这种制造方法的 超疏水流体输送管。如本领域技术人员所认识到的，所描述的各实施 方案可以以各种不同方式改型，所有这些改型都不偏离本发明的精神 或范围。
在说明书全文中，微米级的范围是1 jLim至1000 pm内，纳米级的 范围是lmn至lOOOnm内。
图1是根据本发明一个示例实施方案的具有超疏水表面结构的超 疏水流体输送管的横截面视图。
如图所示，根据本发明示例实施方案的具有超疏水表面结构的管 100,包括一个用于引导流体的导流器10和一个固态主体20，该固态
主体置于导流器10的流体接触表面上并具有双尺度结构，该双尺度结 构具有微米级不均匀度和纳米级突起。
导流器10被设置用于引导流体。此外，导流器10可以不同的方 式用作水供给管、人造血管、或输油管。固态主体20被设置于导流器 10的流体接触表面。
图2A至图2F是示出了根据本发明的第一示例实施方案的通过加 工超疏水表面来制造固态主体的方法的示意图。
现在将描述根据本发明第一示例实施方案的固态主体20的制造方法。
首先，将颗粒喷射装置30的喷嘴31定位为面向金属体33的表面
33a。
接着，驱动颗粒喷射装置30将微细颗粒35 (例如具有微米直径 的颗粒)喷射到金属体33的表面33a。如图3所示，颗粒喷射装置30 以预定的速度和压力将微细颗粒35喷射到金属体33的表面33a，使 ;微细颗粒35撞击表面33a。如图2B所示，当孩i:细颗粒35撞击金属体 33的表面33a时，金属体33的表面33a接收冲击能，从而使金属体 33的表面33a的形状变形。用于喷射砂粒的喷砂机可作为颗粒喷射装 置30,来喷射诸如金属球而非砂、粒等的微细颗粒。锅、钢或铜板可用 作金属体。通过驱动颗粒喷雾装置30在金属体33的表面形成微米级 突起和凹陷。
图4是具有微米级突起和凹陷的金属体的立体图。如图所示，在 其表面上具有微米级突起和凹陷37的金属体33中，该微米级突起和 凹陷37 (即突起37a的高度、凹陷37b的深度、或在突起37a之间的 距离)可根据喷射速度、喷射压力以及微细颗粒而变化，而喷射速度、 喷射压力以及微细颗粒可用预定值调整。
除了超疏水材料之外，固态材料例如金属或聚合物等通常为接触 角小于90°的亲水材料。当该亲水材料的表面通过根据本发明示例实 施方案的表面处理方法而加工为具有微米级突起和凹陷37时，接触角 减小，亲水性增强。
接下来，如图2C所示，在具有微米级突起和凹陷37的金属体33 的表面上进行阳极氧化处理。由于具有纳米直径的微细孔39形成在金 属体33的表面，因此微米级突起和凹陷37与纳米直径的微细孔39形 成在金属体33的表面。更详细地，金属体33浸没在电解质溶液43中， 阳极施加到金属体33b，阴极施加到金属体33c。因此，作为氧化层的 氧化铝形成在金属体33的表面，以及阳极氧化部分34形成在金属体 33的表面。由于通过阳极氧化过程使微米级突起和凹陷37与纳米直 径的微细孔39形成在金属体33的表面，因此可以形成具有微米级突 起和凹陷的表面。图8A和8B为具有通过阳极氧化过程而形成的纳米 级孔39的金属体33表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。接着，金属体33浸没在超疏水材料35中，超疏水材料35如图 2D所示被固化。相应地，由于超疏水材料35如图2E所示被固化，因 此形成疏水聚合物复型(replica) 36。即，当疏水聚合物材料35被 固化同时疏水聚合物材料围绕在金属体33侧表面设置时，可以产生具 有对应于金属体33表面的阴极形状表面的疏水聚合物复型36。超疏 水材料35可由聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)和过氟 烷氧基(PFA)中的至少一种材料形成。
接着，如图2F所示，阳极氧化部分34和金属体33从疏水聚合物 复型36的表面被移除。当薄金属体由铝形成以及从而阳极氧化部分为 氧化铝时，金属体和氧化铝可通过湿式蚀刻工艺^1移除。相应地，由 于在疏水聚合物复型36的表面上获得金属体33的表面形状的复制， 因此就形成了其表面具有最小亲水性的疏水聚合物复型36。
疏水聚合物复型36表面有许多其直径与那些所述微米级突起和 凹陷以及纳米级孔的直径相同的突起36a。更详细地，疏水聚合物复 型36包括一个基体36b，以及多个突起36a，在该基体中微米级突起 和凹陷形成在基体表面的至少一部分上，多个突起36a沿着基体36b 的微米级突起和凹陷而形成，具有纳米直径。突起36a由疏水聚合物 材料形成。图8A和图8B是具有超疏水表面结构的固态主体33的扫描 电子显微镜(SEM)图像。
图9是示出了通过使用疏水聚合物溶液的疏水聚合物复型的亲水 性实验的示意图。如图所示，聚合物复型36的表面由于形成了微米级 突起和凹陷以及纳米级突起，而具有大于165°的接触角。在这种情 况下，流体在未处理过的固态材料表面上的接触角为83° ，因此聚合 物复型36的表面具有超疏水性。
图IOA是应用了固态主体20的水供给管50的示意图。
如图所示，根据本发明示例实施方案的固态主体20被成形为薄膜 形状并置于水供给管50的流体接触表面。由于固态主体20具有超疏 水特性，因此水供给管50的内表面处于光滑状态，从而流体H在整 个直径以一致的速度流动，如图10A所示。然而，如图10B所示，由 于传统水供给管50a内表面有阻力，流体51a在水供给管50a的中间 流得更快。即，当对比传统水供给管50a和使用根据本发明示例实施方案的固态主体20的水供给管50时，水供给管50在流体接触表面具 有超疏水性，流体在水供给管50的内表面以一致的速度流动。相应地， 在根据本发明第 一示例实施方案的水供给管中，由于流经其中各截面 的流体流量增加，因此效率提高。固态主体20要求具有柔性特征从而 可被应用到流体在其中流动的水供给管。
图11A是示出应用了根据本发明第一示例实施方案的固态主体的 管中的杂质流动的示意图，图IIB是示出了杂质在传统管路中流动的 示意图。
如图所示，除流体51外，还有杂质53在传统水供给管和人造血 管中流动。即，流体中的杂质53和由侵蚀管所产生的杂质53与流体 一起流动，图11B所示，杂质53由于传统水供给管50a内表面的阻力 而堆积，因此流体输送效率降低。然而，如图IIA所示，由于使用根 据本发明示例实施方案的固态主体20的管的内表面具有超疏水性，因 此杂质不会堆积，流体流畅地输送。此外，由于根据本发明示例实施 方案的固态主体20具有防侵蚀的优良特性，因此防止了所述管被侵蚀 以及从而防止产生附加杂质，从而可以维持对环境友好的管线。
图12是示出了应用了所述固态主体的输油管系统的示意图。
如图所示，增压设备63设置于输油管61中， 一个增压设备63用 于将在输油管61中的流体输送到后续增压设备63。通过考虑由输油 管61内表面的摩擦引起的压力损失而确定增压设备63之间的距离。 换言之，由于增压设备63之间的距离随着输油管61内表面和流体之 间的摩擦的减小而增加，增压设备63的数量可以减少。由于传统输油 管的内表面不处于超疏水的光滑状态，因此摩擦引起的压力损失相当 大。然而，由于使用根据本发明示例实施方案的固态主体20的管的内 表面处于超疏水的光滑状态，因此可以减小由摩擦引起的压力损失， 流体输送速率可提高。
图13是示出使用了根据本发明示例实施方案的固态主体的芯片 实验室的示意图。芯片实验室70对流体进行分析，该芯片实验室是一 种通过将各种分析所需的设备集成到一个预定尺寸的芯片上而形成的 化学微工艺。微尺寸通道71形成于芯片实验室70中用来控制流体流 动。当根据本发明示例实施方案的固态主体应用于微尺寸通道71的内表面时，流体在通道71中的流动更适当，因而可提高流体分析效率。
图14A至图14D是示出根据本发明第二示例实施方案的通过处理 超疏水表面来制造固态主体的方法的示意图。在图1至图13中，相同 的参考数字指示相同的部分。
如图所示，根据本发明第二示例实施方案的固态主体80包括设置 于导流器10的流体接触表面的一个基体81,和在基体81上的具有纳 米直径的多个突起83。所述多个突起83组合而形成微米尺寸的突起。
根据本发明第二示例实施方案的固态主体80的制造方法现在将 参考图14A至14D说明。
首先，被制成如图14A所示的薄板形状的金属体85置于阳极氧化 设备40的空间中。金属体85被置于阳极氧化设备40的电解质溶液 43中。
接着，通过驱动阳极氧化设备40，如图14B所示，在金属体85 的表面进行阳极氧化。
然后，将阳极氧化后的金属体85置于超疏水聚合物溶液35中。 随后，当围绕在金属体85周围的超疏水聚合物溶液被固化时，如图 14C所示形成超疏水聚合物复型86。
如图14D所示，阳极氧化部分82和金属体85从疏水聚合物复型 86的表面被移除。当金属体85由铝形成以及从而阳极氧化部分为氧 化铝时，金属体和氧化铝可通过湿式蚀刻方法移除。相应地，由于在 疏水聚合物复型86的表面上获得金属体80的表面形状的复制，因此 能够形成具有最小可湿性的超疏水表面的聚合物固态主体80。
聚合物固态主体80包括直径与纳米级孔84的直径相同的多个突 起83。由于突起83以纳米级直径突出，相邻突起83之间产生引力。 即，由于范德瓦尔斯力，出现相邻突起83相互粘连的现象，该范德瓦 尔斯力是一种当相邻的构件之间的距离非常短时所产生的引力。通过 粘连现象，聚合物固态主体80的突起83形成作为整体而稳定下来的 多个群聚团。由此，可以获得具有由纳米级突起形成的微米级表面的 聚合物固态主体。
图15A和图15B是具有超疏水表面的固态主体的扫描电子显微镜 (SEM)图像，该超疏水表面借助于由范德瓦尔斯力引起的粘连现象而形成。如图所示，可注意到突起83在聚合物固态主体80表面上互相粘 连并且不规则地稳定下来。
通过结构上的表面处理而非化学涂层处理，具有上述表面结构的 固态主体80具有最小可湿性。当水滴施加到固态主体80的表面并且 测量该表面与水滴之间的接触角时，可注意到，如图16所示，接触角 明显增加，最高到160° 。通常，未经处理的固态主体的表面与流体 点滴之间的接触角为约83° 。因此，根据本发明示例实施方案，可注 意到，由于接触角显著增加，因此该固态主体表面具有可湿性最小的 超疏水性。
与根据本发明第一示例实施方案的固态主体20相类似的方式， 根据本发明第二示例实施方案的固态主体80可以以不同的方式应用 于水供给管、人造血管或输油管，这些在前面已经说明，因而略去对 其详细的描述。
虽然本发明结合当前认为可行的示例实施方案进行说明，可理解 的是，本发明并不局限于所述的公开实施方案，而是相反地意图涵盖 在所附的权利要求书包括的精神和范围之内的各种变化和等同配置。
根据本发明示例实施方案的一种具有超疏水表面结构的固态主体 的制造方法和使用该方法制得的超疏水流体输送管具有以下效果。
首先，通过一种将设有小孔的金属体浸没到非润湿材料中以及固 化该非润湿材料的过程来进行复型加工——其中所述小孔以阳极氧化 方法形成，可以简单和容易地制得复型。从而利用该复型可容易地制 得具有超疏水表面的固态主体，从而降低生产成本。
其次，由于具有超疏水表面结构的固态主体被置于流体穿过其流 动的管的内表面，杂质不会在管内堆积，防止了管的内表面被侵蚀， 且流体输送速率增加。
权利要求
1.一种具有超疏水表面结构的超疏水流体输送管，该超疏水流体输送管包括一个导流器，用于引导流体；和一个固态主体，其设置在所述导流器的流体接触表面并具有微米级不均匀度和具有纳米级直径的突起。
2. 根据权利要求1的超疏水流体输送管，其中所述固态主体包括 一个基体，其设置在所述导流器的流体接触表面；和 一种表面结构，其具有微米级不均匀度，且该微米级不均匀度由多个群聚团形成，这些群聚团由多个形成在基体上并且具有纳米级直 径的相邻突起形成。
3. 根据权利要求2的超疏水流体输送管，其中所述微米级不均匀 度由部分地相互粘连的所述相邻突起构成。
4. 根据权利要求1的超疏水流体输送管，其中所述固态主体包括一个基体，其形成在所述导流器的流体接触表面并且在表面的至 少一部分上具有微米级突起和凹陷；和一种超疏水表面结构，其包括多个突起，这些突起分别具有纳米 级直径并且沿着所述基体的微米级突起和凹陷设置。
5. 根据权利要求2或4的超疏水流体输送管，其中所述的分别具 有纳米级直径的突起由非润湿聚合物材料形成。
6. 根据权利要求5的超疏水流体输送管，其中所迷非润湿聚合物 材料选自聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、过氟烷氧基 (PFA)和它们的组合。
7. 根据权利要求1的超疏水流体输送管，其中所述导流器被成形 为用于引导流体的管。
8. —种制造具有超疏水表面结构的固态主体的方法，该方法包括 通过阳极氧化过程在金属体表面形成许多纳米级孔； 通过将设有纳米级孔的所述金属体浸没在一种非润湿聚合物材料中并固化所述非润湿聚合物材料形成复型；通过从复型移除金属体和阳极氧化物形成具有超疏水表面的所述 固态主体；和将所述固态主体设置到用于引导流体的导流器的流体接触表面。
9. 根据权利要求8的方法，其中所述复型具有许多突起，这些突 起由那些填充在所述金属体内形成的所述纳米级孔内的所述非润湿聚 合物材料负性复制而成。
10. 根据权利要求9的方法，其中所述突起由相邻突起部分地相互 粘连而形成许多微米级群聚团。
11. 根据权利要求8的方法，其中所述非润湿聚合物材料选自聚四 氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、过氟烷氧基(PFA)和它们 的组合。
12. 根据权利要求8的方法，其中所述固态主体具有柔性特征从而 可被应用到所述导流器的曲面。
全文摘要
本发明涉及一种具有超疏水表面结构的固态主体的制造方法和使用此方法制造的超疏水流体输送管，该种超疏水表面结构通过使用金属体表面处理、复型处理和聚合物粘连现象形成，以提高流体输送效率和防止杂质在管中堆积。这种超疏水流体输送管包括一个导流器和一个固态主体，该固态主体设置在导流器的流体接触表面并且具有微米级不均匀度和纳米级突起。在该方法中，金属体表面通过阳极氧化过程形成许多纳米级孔，通过将该设有纳米级孔的金属体浸在一种非润湿聚合物材料中并固化该非润湿聚合物材料形成复型，通过从复型移除金属体和阳极氧化物形成具有超疏水表面结构的固态主体，该固态主体被设置到用于引导流体的导流器的流体接触表面。
文档编号F16L9/00GK101553680SQ200780042283
公开日2009年10月7日 申请日期2007年9月19日 优先权日2006年9月21日
发明者全志勳, 孙晟儫, 崔德铉, 文泰喆, 朴贤哲, 李尚珉, 李建弘, 李昌雨, 裵一臣, 金东显, 金东燮, 金俊源, 黄云峰 申请人:浦项工科大学校产学协力团