專利名稱：一種新型超疏油表面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納結(jié)構(gòu)功能表面設(shè)計制備技術(shù)領(lǐng)域，特指一種設(shè)計新結(jié)構(gòu)以實現(xiàn) 表面超疏油性能的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其適用于防油黏附和輸油管道或其他油性流體滑 移減阻領(lǐng)域中使用的超疏水表面的微結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析。
背景技術(shù)：
近十年來，超疏水表面的研究得到了足夠的關(guān)注。由于生物界大量存在自然的 超疏水表面，研究人員對這些自然的超疏水表面進(jìn)行仿生制造，實現(xiàn)了大量表面的超疏 水性能。到目前為止，研究人員已經(jīng)具備制備較為穩(wěn)定的超疏水表面的能力，如中科院 江雷課題組通過電紡加工和自組織生長法制備了超疏水表面。在此基礎(chǔ)上，大量的超疏 水表面和超疏水處理技術(shù)被逐漸引入到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。然而，在工業(yè)界，使用的液體種 類繁多，僅僅具有超疏水性能的超疏水表面難以杜絕這些液體尤其是表面張力較低的液 體的附著，難以實現(xiàn)真正的完全的自潔性能。
多年以來，學(xué)術(shù)界一直沿用Wenzel在1936年提出的Wenzel理論和Cassie和 Baxer在1944年提出的Cassie超疏水機理和理論。根據(jù)Wenzel理論，液體與粗糙表面接 觸是密切接觸，即在接觸區(qū)域內(nèi)僅有固液界面接觸，據(jù)此，液滴在粗糙表面上的表觀接 觸角公式可表示為
cos θ w = rcos θ(1)
其中θ w是粗糙表面上液滴形成的接觸角，r是微結(jié)構(gòu)表面的粗糙度，是表面總 面積與表面水平投影面積之比，其取值大于1， θ是形成微結(jié)構(gòu)表面的材料的本征接觸 角。而Cassie理論認(rèn)為，液體在微結(jié)構(gòu)表面上僅與突起的部分接觸，在凹槽的部分與氣 體接觸，液體在這種接觸模式下的接觸公式為
COS θ c = f (cos θ +1)-1(2)
其中θ c表示液滴在微結(jié)構(gòu)表面上處于Cassie接觸狀態(tài)的接觸角，f表示液固有 效接觸面積與表水平投影面積之比。值得注意的是，這兩種理論并沒有對所使用的液體 進(jìn)行限制，超疏水僅僅是其中的一種特例。這些理論在指導(dǎo)超疏水表面設(shè)計制造方面取 得了成功，但由于自然界沒有超疏油表面的存在，它們指導(dǎo)超疏油表面設(shè)計制造方面的 潛力還沒有得到人們的重視，需要進(jìn)一步的發(fā)掘。
隨著超疏水理論的成熟，研究人員逐漸將注意力轉(zhuǎn)移到超疏油表面的設(shè)計制備 上來。最近，Ahuja等和Tuteja等分別運用化學(xué)方法和物理方法制備了超疏油表面，經(jīng) 接觸角測量儀的測量，發(fā)現(xiàn)液滴在表面上的接觸角達(dá)140°，這相對于一般表面上的油液 接觸角(30° 80° )來說提高的幅度很大。雖然他們所采用的液體表面張力還較大， 但這在一定程度上已經(jīng)說明了制備超疏油表面的可行性。除以上兩個文獻(xiàn)外，還沒有更 多關(guān)于超疏油表面的報道，這與工業(yè)中大量油液的使用現(xiàn)實并不相符，因此，很有必要 對超疏油表面開展設(shè)計和制備研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超疏油表面微納結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)表面對廣 泛液體尤其是表面張力較低的液體的超疏性能。本發(fā)明按下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種超疏油表面微納結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，是根據(jù)超疏油表面的工作所需承受的壓 強及氣體之間的壓強差(液汽界面壓強差)計算出液汽界面的曲面半徑；再根據(jù)該曲面半 徑確定出微結(jié)構(gòu)的最大周期；接著根據(jù)超疏油的要求確定出結(jié)構(gòu)的突起比率；最后根據(jù) 超疏油表面的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)(周期和突起比率)考證油液與結(jié)構(gòu)表面的接觸 狀態(tài)，確保油液處于Cassie接觸狀態(tài)。上述方法中，超疏油表面上的微結(jié)構(gòu)的側(cè)視觀察為傘狀微結(jié)構(gòu)陣列形式(參見 附圖1)和倒“山”型微結(jié)構(gòu)陣列形式(參見附圖2)；每個微結(jié)構(gòu)的俯視觀察表現(xiàn)為多邊 形、圓形以及非規(guī)則形狀結(jié)構(gòu)形式。上述方法中，超疏油表面上油液的壓強由其工作條件決定，由壓強差計算微結(jié) 構(gòu)內(nèi)液面的曲面半徑r所采用的公式是拉普拉斯公式！" = ZyAP-Pci),其中P為液體內(nèi) 部壓強，Ptl為氣體壓強，Y為油液表面張力。上述方法中，微結(jié)構(gòu)的最大周期與微結(jié)構(gòu)內(nèi)液面曲面半徑的關(guān)系為 Anax= 其中Lmax為結(jié)構(gòu)最大周期。上述方法中，超疏油表面的突起比率通過Cassie公式和給定的超疏油表面所需 的油液接觸角計算f= (cosedD/fcose+i)，其中f為突起比率，為所需設(shè)計的表 面的超疏油接觸角，θ為油液液滴在光滑表面上的本征接觸角。上述方法中，考證油液與表面的接觸狀態(tài)是否發(fā)生轉(zhuǎn)換通過考察液汽界面與微 結(jié)構(gòu)壁之間的形成的角度β與油液在光滑表面上的前進(jìn)接觸角的關(guān)系來完成。對于圖 1的結(jié)構(gòu)形式，選取小于最大結(jié)構(gòu)周期Lmax的結(jié)構(gòu)周期L，β通過幾何關(guān)系求得β = arcsin(L(l-l)/y)-a,其中ξ為液汽界面的水平投影長度與周期的水平投影長度之 比，有戶V7,a為微結(jié)構(gòu)下表面與水平表面所形成的角度，如圖1所示。對于圖2的結(jié) 構(gòu)形式，β = arcSin(L(l-€)/Y)-90°。油液在表面上的前進(jìn)接觸角與本征接觸角相 當(dāng)，近似采用本征接觸角處理，若日> Θ，則液體在微結(jié)構(gòu)表面上處于Wenzel狀態(tài)，反 之則處于Cassie狀態(tài)。本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢拓寬了微結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)用范圍，本發(fā)明針對超疏油性能來對表面進(jìn)行設(shè)計，將 表面的超疏性能拓展到表面張力較低的液體應(yīng)用中；設(shè)計過程直觀易懂，容易實現(xiàn)，本發(fā)明通過幾何分析的方法對特殊的微結(jié)構(gòu)形 式和參數(shù)進(jìn)行分析以實現(xiàn)表面的超疏油性能，實現(xiàn)超疏油表面的直接可控設(shè)計。


圖1傘形結(jié)構(gòu)表面與油液接觸圖2T型結(jié)構(gòu)表面與油液接觸1.油液，2.空氣，3.固體微結(jié)構(gòu)實施方式
下面結(jié)合圖1和圖2通過具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實質(zhì)特點和顯著進(jìn)步， 但本發(fā)明絕非僅僅限于所述的實施例。
實施例1(方柱形式結(jié)構(gòu)，截面結(jié)構(gòu)為圖1的結(jié)構(gòu)形式，環(huán)境條件和參數(shù)為 P-P0 = IkPa, θ = 50°，y = 0.02N/m, θ c = 140°，α = 30° ):
根據(jù)拉普拉斯公式計算液體1在固體微結(jié)構(gòu)3內(nèi)部液面的曲面半徑，曲面半徑 為r = 2y/(P-Pq) = 2X0.02/1000 = 40 μ m。再根據(jù)該曲面半徑計算出固體微結(jié)構(gòu)3 的最大周期，微結(jié)構(gòu)的最大周期為Lmax= 113 μ m。同時，根據(jù)Cassie計算公式計算出結(jié) 構(gòu)的突起比率。f = (cosec+l)/(cose+l) = 0.1424，677 =0.3774。
選用結(jié)構(gòu)周期為L = 1 μ m的固體微結(jié)構(gòu)3，計算液體1和空氣2構(gòu)成的界面與固 體微結(jié)構(gòu)3的豎直壁之間的形成的角度β，β =arcsin(L(l-l)/y)-a =-29.1081°， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油液在光滑表面上的本征接觸角，油液在微結(jié)構(gòu)表面上處于Cassie接觸狀態(tài)。
因此，采用所設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)能實現(xiàn)油液在表面上的大接觸角(接觸角達(dá) 140° )。
實施例2 (方柱形式結(jié)構(gòu)，截面結(jié)構(gòu)為圖2的結(jié)構(gòu)形式，環(huán)境條件和參數(shù)為 P-P0 = IOkPa, θ = 50°，y = 0.02N/m, θ c = 140° )
根據(jù)拉普拉斯公式計算液體1在固體微結(jié)構(gòu)3內(nèi)部的液面的曲面半徑，曲面半徑 為r = = 2X0.02/1000 = 4μιη。再根據(jù)該曲面半徑計算出結(jié)構(gòu)的最大周 期，結(jié)構(gòu)的最大周期為Lmax= 11.3 μ m。同時，根據(jù)Cassie計算公式計算出結(jié)構(gòu)的突起 比率。f= (cos θ c+l)/(cos θ +1) = 0.1424，^=77 =0.3774。
選用結(jié)構(gòu)周期為L = Iym的微結(jié)構(gòu)，計算液體1與空氣2形成的界面與固體微 結(jié)構(gòu)3的壁之間的形成的角度β，β = arcs:in(L(l-€)/Y)-90° =-81.0455°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小 于油液在光滑表面上的本征接觸角，油液在微結(jié)構(gòu)表面上處于Cassie接觸狀態(tài)。
因此，采用所設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)能實現(xiàn)油液在表面上的大接觸角(接觸角達(dá) 140° )。
采用其他結(jié)構(gòu)形式的表面設(shè)計方法與方柱結(jié)構(gòu)形式相似，其中只是f與ξ之間 的關(guān)系有差別，但根據(jù)其幾何定義很容易計算出來，其定義為單元內(nèi)部液固接觸界面占 單元面積的比率，一般可采用保守的公式計算ξ= 47/2。
權(quán)利要求
1.一種超疏油表面微納結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于，該方法按如下步驟進(jìn)行根據(jù) 超疏油表面的工作所需承受的壓強及氣體之間的壓強差計算出液汽界面的曲面半徑；再 根據(jù)該曲面半徑確定出微結(jié)構(gòu)的最大周期；接著根據(jù)超疏油的要求確定出結(jié)構(gòu)的突起比 率；最后根據(jù)超疏油表面的微結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計的周期和突起比率考證油液與結(jié)構(gòu)表面的 接觸狀態(tài)，確保油液處于Cassie接觸狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于確定的表面微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式 為側(cè)視觀察為傘狀微結(jié)構(gòu)陣列形式或倒“山”型微結(jié)構(gòu)陣列形式；俯視觀察為多邊 形、圓形或非規(guī)則形狀結(jié)構(gòu)形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于計算液面曲面半徑的計算公式 為r= ZyAP-PJ，其中r為液面的曲面半徑，P為液體內(nèi)部壓強，&為氣體壓強，Y 為油液表面張力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于實現(xiàn)表面微結(jié)構(gòu)最大周期的計算 公式為Z_=2々r，其中Lmax為結(jié)構(gòu)最大周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和2和3所述的設(shè)計方法，其特征在于實現(xiàn)表面微結(jié)構(gòu)突起比率 的計算公式為f= (cosedD/fcose+i)，其中f為突起比率，ec為所需設(shè)計的表面的 超疏油接觸角，9為油液液滴在光滑表面上的本征接觸角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于驗證液體與微結(jié)構(gòu)表面的接觸狀 態(tài)通過以下判定條件實現(xiàn)公式為若0 > 9，則液體在微結(jié)構(gòu)表面上處于Wenzel狀態(tài)， 反之則處于Cassie狀態(tài)，其中0為液面與微結(jié)構(gòu)鄰接表面之間的角度，計算公式為對 于傘狀微結(jié)構(gòu)陣列，3 =arcsin(L(l-l)/r)-a,其中I為液汽界面的水平投影長度與 周期的水平投影長度之比，有6V7,a為微結(jié)構(gòu)下表面與水平表面所形成的角度，L為所設(shè)計的比最大周期小的結(jié)構(gòu)周期；對于倒“山”型微結(jié)構(gòu)陣列，0 =arcsin(L(l-l)/ r)-90°。
全文摘要
一種超疏油表面微納結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，涉及微納結(jié)構(gòu)功能表面設(shè)計制備技術(shù)領(lǐng)域。根據(jù)超疏油表面的工作所需承受的壓強及氣體之間的壓強差(液汽界面壓強差)計算出液汽界面的曲面半徑；再根據(jù)該曲面半徑確定出微結(jié)構(gòu)的最大周期；接著根據(jù)超疏油的要求確定出結(jié)構(gòu)的突起比率；最后根據(jù)超疏油表面的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)(周期和突起比率)考證油液與結(jié)構(gòu)表面的接觸狀態(tài)，確保油液處于Cassie接觸狀態(tài)。本發(fā)明通過幾何分析的方法對特殊的微結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)進(jìn)行分析以實現(xiàn)表面的超疏油性能，實現(xiàn)超疏油表面的直接可控設(shè)計。
文檔編號B81C99/00GK102020237SQ20101013246
公開日2011年4月20日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者周明, 李保家, 李健, 蔡蘭 申請人:江蘇大學(xué)