專利名稱：親水性/疏水性圖案化表面及其制備和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該內(nèi)容通常涉及的領(lǐng)域包括親水性/疏水性圖案化表面，包括它的 產(chǎn)品及其制造和使用方法。
背景技術(shù)：
具有親水性的或疏水性表面的產(chǎn)品在質(zhì)子吸收、水分輸送(例如, 燃料電池)、摩擦控制等方面有著廣泛的應(yīng)用。在超疏水性表面上，水以液滴 狀態(tài)保留，并且當(dāng)表面稍微傾斜時(shí)易于滾離。實(shí)現(xiàn)超疏水性通常要求表面上 具有織構(gòu)，諸如眾所周知的荷葉。在典型的平面疏水表面上，能達(dá)到高達(dá)iio °的水接觸角。當(dāng)水滴到超親水的表風(fēng)水接觸角低于20度)時(shí)，水同時(shí)以放射狀 的方式鋪展。如果超親水表面包含微-通道特征，水芯吸進(jìn)入所述通道，并且 由于該附加的毛細(xì)作用力迅速沿著通道移動(dòng)，其中速度取決于通道尺寸。已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種水芯吸行為特別對(duì)促進(jìn)在微通道中的水分輸送有用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括具有附著于其上的分子鏈的基材，每 個(gè)鏈包括親水基、疏水鏈段(segment)和光可逆交聯(lián)劑(photo-reversible crosslinker)。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括具有包含多個(gè)分子f連的可再構(gòu)造的 疏水性/親水性圖案化表面的基材，每個(gè)鏈含有親水基、疏水鏈段和光可逆的 交聯(lián)白勺部分(photo-reversibel crosslinked portion )。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包含方法，所述方法包括提供具有多個(gè)附著于其上的分子鏈的基材，每個(gè)鏈包括親水基、疏水鏈段和可逆交聯(lián)劑，和 使得所述可逆的交聯(lián)劑交聯(lián)鄰近的分子鏈。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括提供具有多個(gè)附著于其上的分子鏈 的基材，每個(gè)鏈包括親水基、疏水鏈段和光可逆交聯(lián)劑，使基材暴露于電荷 并然后使分子鏈?zhǔn)艿阶贤夤庖越宦?lián)相鄰的分子鏈。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案 中，將基材暴露于正電荷，使得分子鏈變直從而親水基離基材最遠(yuǎn)。在另一 個(gè)實(shí)施方案中，使基材受到負(fù)電荷，從而使得分子鏈彎曲以便親水基附著于 基材。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括提供具有多個(gè)分子鏈的基材，每個(gè)
鏈包含親水基和疏水性鏈段，而且其中相鄰的鏈通過(guò)可逆的交聯(lián)的部分連接 在一起，并使得所述交聯(lián)的相鄰分子鏈通過(guò)將鏈暴露于紫外光而去交聯(lián)
(uncrosslinked)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，使交聯(lián)的鏈暴露于波長(zhǎng)小于260 nm的紫外光。本發(fā)明的其它示例性實(shí)施方案將從后面提供的詳細(xì)說(shuō)明而變得明 確。應(yīng)當(dāng)理解的是，雖然公開(kāi)了發(fā)明示例性的實(shí)施方案，詳細(xì)說(shuō)明和具體實(shí) 施例旨在僅用于例證而非目的在于限制發(fā)明的范圍。


本發(fā)明的實(shí)施方案將由詳細(xì)說(shuō)明和附圖變得更加充分明白，其中圖1說(shuō)明了在基材上形成親水表面和疏水表面的方法。圖2說(shuō)明了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案進(jìn)行基材表面改性的方法。圖3說(shuō)明了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的產(chǎn)品。
圖4說(shuō)明了按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的產(chǎn)品。
圖5說(shuō)明了現(xiàn)有技術(shù)的具有微溝槽的燃料電池雙極板。
圖6說(shuō)明了按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的產(chǎn)品。
圖7說(shuō)明了按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的產(chǎn)品。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施方案(多個(gè))描述實(shí)質(zhì)上僅僅是示例性的，無(wú)論如何不 旨在限制本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括通道較少的流體裝置(channel-less flmdic device)。在一個(gè)實(shí)施方案中，具有疏水和親水的微米或納米-圖案(例如 條)的表面通過(guò)精細(xì)的分子設(shè)計(jì)而產(chǎn)生。通過(guò)有選擇地在表面上形成親水性的 和疏水性的圖案，其中在一些情況下接觸角的差異可高達(dá)100。，滴到這樣的 圖案表面上的水預(yù)期表現(xiàn)得如同在微通道化的超親水表面上一樣，具有在疏 水和超親水區(qū)域之間起到虛擬通道壁(virtual channel wall)的作用的邊界。 在一個(gè)實(shí)施方案中，分子設(shè)計(jì)能使得所述虛擬的水通道(virtual water channel) 可再構(gòu)造，如后面所述那樣。如圖1所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括用多個(gè)分子鏈12改性的 基材10，每個(gè)鏈12包含親水基18、疏水鏈段14和可逆的交聯(lián)劑部分16。在 一個(gè)實(shí)施方案中，為了產(chǎn)生疏水性，可將碳氟鏈用作疏水性鏈段14。親水性 可由極性基團(tuán)18產(chǎn)生。在一個(gè)實(shí)施方案中，親水基18可以是羧酸(或鹽)基團(tuán)。 在一個(gè)實(shí)施方案中，極性基團(tuán)是離子性基團(tuán)并引入超親水性。在一個(gè)實(shí)施方 案中，相鄰的分子鏈12相互交聯(lián)，這傾向于穩(wěn)定表面的超親水性，不同于當(dāng) 暴露于空氣時(shí)易于隨時(shí)間降低親水性的未交聯(lián)的超親水表面。在一個(gè)實(shí)施方 案中，可逆的交聯(lián)劑部分16可以是肉桂酸連接(cinnamic acid link)?，F(xiàn)在涉及到圖2，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，例如，可通過(guò)將 乙酸乙烯酯與用作固化劑的少量二乙烯基苯共聚而產(chǎn)生基材10。在表面上發(fā) 生水解并產(chǎn)生羥基，其進(jìn)一步與全氟代二羰基氯化物(perfluoro dicarbonyl chloride)反應(yīng)。全氟代二羰基氯化物可以大大過(guò)量使用以避免二酯化 (diesterification)。酚基在接下來(lái)的步驟中通過(guò)碳酰氯基團(tuán)與過(guò)量的干氫醌 (dryhydroquoine)反應(yīng)而產(chǎn)生。在最終步驟中，將肉桂酸結(jié)構(gòu)單元通過(guò)酚基 引到表面上。此化學(xué)作用產(chǎn)生了包括具有通過(guò)可交聯(lián)雙鍵而連接在一起的親 水性羧酸或鹽端基的碳氟鏈的表面。再次參考圖l，通過(guò)將正電荷通過(guò)DC電場(chǎng)施加到基材10上或?qū)?基材浸泡到親水性溶劑中，基材表面上的分子鏈12伸展，離子性基團(tuán)18背 離表面指向?？蓪悠繁┞队诓ㄩL(zhǎng)大于260nm的紫外光以通過(guò)肉桂酸鍵的光 二聚作用(photo-dimerizatk)n)促進(jìn)UV固化。最終結(jié)果是離子性基團(tuán)18位 于頂部的交聯(lián)的超親水表面22。同樣如圖1說(shuō)明的那樣，當(dāng)把負(fù)電荷施加到基材10或使用疏水溶劑時(shí)，貝撥生相反的情況。也就是說(shuō)，鏈12彎曲以至于離子性基團(tuán)18附著 到基材10上。這產(chǎn)生了由鏈12的碳氟鏈段14支配的疏水表面24，預(yù)計(jì)它具 有約110°的接觸角。本發(fā)明不局限于如圖1所示的分子鏈12的部分14、 16和18的具 體排列。例如，親水部分18不必需位于分子鏈12的末尾，可交聯(lián)的部分16 也不必需與親水部分18相鄰。此外，另外的鏈段或基團(tuán)可以插入分子鏈12 的部分之間或附著于其末端。例如，另外的基團(tuán)或鏈段可附著于疏水鏈段14 以將分子f連12附著或固定到基材10。由于紫外反應(yīng)的空間選擇性，可通過(guò)連續(xù)采用上述的兩種過(guò)程并 在相反的圖案上采用光掩模而在同一基材的不同區(qū)域中產(chǎn)生疏水性和超親水 性圖案。由于紫外線波長(zhǎng)極好的空間分辨率，圖案的特征尺寸可以低到納米。交聯(lián)反應(yīng)還可以通過(guò)將圖案化的表面暴露于波長(zhǎng)小于260nm的 紫外光而逆轉(zhuǎn)，這是基于肉桂酸的體系的特征。當(dāng)交聯(lián)的鍵裂解時(shí)，此表面 恢復(fù)至其初始狀態(tài)，且超親水性和疏水性圖案被清除。通過(guò)在不同特征上使
用掩模重復(fù)圖1中所示的兩種過(guò)程，能再次產(chǎn)生超親水性和疏水性的新圖案。
現(xiàn)在參考圖3，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括包含可以是第一燃 料電池雙極板112的基材10的燃料電池堆100。第一雙極板112的表面可改 性以包含親水性22和疏水性區(qū)域24的圖案。任選地，第一雙極板112可包 含在反面形成的通道90用于使冷卻劑由此流過(guò)。第一氣體擴(kuò)散介質(zhì)層76可 以位于第一雙極板112的下方。第一氣體擴(kuò)散介質(zhì)層76是多孔的并且一般由 排列成碳紙或氈(felt)的碳紙形成。可將第一微孔層72提供在第一氣體擴(kuò)散層 76下方。第一微 L層72可包含碳粒子和PTFE。陰極68可位于第一微孔層 72下方以及可包含催化劑諸如在碳粒子上的鉑和離聚物諸如NAFION?？商?供聚電解質(zhì)膜(PEM) 62位于陰極下方并且其可以包含離聚物諸如NAFION。 陽(yáng)極70可以位于膜62下方并且可如陰極68類似地構(gòu)造。第二微孔層74可 位于陽(yáng)極70下方以及第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)層78可以位于第二微孔層74下方。 第二雙極板114可以位于第二氣體擴(kuò)散介質(zhì)層78下方。在圖3所示的實(shí)施方 案中，分別將各種反應(yīng)氣體受迫通過(guò)各個(gè)氣體擴(kuò)散介質(zhì)層76、 78。任何由于 由濕潤(rùn)氣體凝結(jié)或作為燃料電池反應(yīng)副產(chǎn)物產(chǎn)生的液態(tài)水可沿著各個(gè)雙極板 112、 114的表面的親水性區(qū)域22芯吸，并且如果需要從電池除去。
現(xiàn)在參考圖4，第二雙極板114可具有至少兩個(gè)平臺(tái)(land) 26和 形成于平臺(tái)間的一條通道(間隙或空隙)28。通道28可由平臺(tái)26的壁27和底 表面29限定，可將底表面改性以包含親水22和疏水區(qū)域24的圖案。平臺(tái)26 與第二擴(kuò)散介質(zhì)層78物理和電接觸。反應(yīng)氣體，諸如但不局限于氫，流過(guò)通 道28，并通過(guò)氣體擴(kuò)散層78擴(kuò)散到陽(yáng)極。任何由于由濕潤(rùn)氣體凝結(jié)或作為燃 料電池反應(yīng)副產(chǎn)物存在的液態(tài)水可沿各個(gè)雙極板112、 114的表面的親水性區(qū) 域22芯吸并如果需要從電池除去。在通道28中流動(dòng)的氣體可有助于將水從 電池中排出。圖5示出了具有在限定通道28的表面的底部29中形成的微溝槽 50的現(xiàn)有技術(shù)燃料電池雙極板。根據(jù)如圖6所示的一個(gè)實(shí)施方案，可通過(guò)提 供包含多個(gè)交聯(lián)的分子f連(a polarity of crosslinked molecular chain)(其包含親 水基或鏈段)的區(qū)域22，沿著限定通道28的底面29或壁27形成一個(gè)或多個(gè) 虛擬微溝槽。如圖7所示，基材10可以是金屬如不銹鋼，以及可在通道28 中沿壁27和/或底面29的一部分提供聚合物涂層52?？蓪鄠€(gè)含親水基 或鏈段的交聯(lián)的分子鏈的區(qū)域22提供在涂層52上。分子鏈可以是涂層52的 一部分或附著到上面。在一個(gè)實(shí)施方案中，限定虛擬微溝槽的區(qū)域22的寬度 可小于50um。通道可具有各種構(gòu)造以及還可以是半圓形的或V形。本發(fā)明實(shí)施方案的上述描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，因此其變體 不視為偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、產(chǎn)品，包括基材，所述基材包含多個(gè)含有親水基、疏水鏈段和可逆交聯(lián)劑的分子鏈。
2、 產(chǎn)品，包括基材、多個(gè)分，連附著于該基材，每^NH包含親水基、船Jc鏈段和光可逆交聯(lián)劑。
3、 產(chǎn)品，包括基材，所述基材具有可再造的疏7K/親水圖案化表面，所述表面包含多個(gè)分^l連，^tl連包含親水基、疏水鏈段和光可逆的交聯(lián)的部分。
4、 一種方法，包括提供具有多個(gè)^f連附著的基材，每^N連包含親水基、 i^7jC鏈段和可逆交聯(lián)劑，并使得所述可逆交聯(lián)齊咬聯(lián)相鄰的^^連。
5、 一種如權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括使至少部分所述^T鏈^m以至于所述親水基離所述S^才最遠(yuǎn)。
6、 一種如權(quán)禾腰求4所述的方法，進(jìn)一步包括使至少部分所述肝鏈彎曲 以至于所述親水基附著到所述基材。
7、 一種方法，包括提供具有多個(gè)分子鏈附著的基材，^f連包含親水基、 疏L7jC鏈段和光可逆交聯(lián)劑，使所述基材暴露于電荷，并然后使所述分子鏈暴露于紫外光以交聯(lián)相鄰的分子^1。
8、 一種如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述親7jC基團(tuán)為離子性的，將所述基材暴露于電荷包括將所述基材暴露于與所述離子性親水基團(tuán)上的電荷相反的 電荷，使至少部分所述^fl連^l;以至于所述親7K基離所述S^才最遠(yuǎn)。
9、 一種如權(quán)禾腰求7所述的方法，其中所述親水基團(tuán)為離子性的，所述將 所述基材暴露于電荷包括將所述基材暴露于與所述離子性親水基團(tuán)上的電荷相 同的電荷，使至少部分所述分，彎曲以至于所述親水基附著至U所述基材。
10、 一種方法，包括提供具有多個(gè)分子鏈的基材，每個(gè)鏈包含親水基和 疏水性鏈段，而且其中相鄰的鏈通過(guò)可逆的交聯(lián)的部分連接在一起，并使得 所述交聯(lián)的相鄰分子f連通過(guò)將所述鏈暴露于紫外光而去交聯(lián)。
11、 一種如權(quán)利要求10所述的方法，其中將所述交聯(lián)的鏈暴露于波長(zhǎng)小于 260nm的紫外光以將其去交聯(lián)。
12、 一種方法，包括提供具有羥基附著的基材，將所述羥基與全氟二羰基 氯化物反應(yīng)以提供附著到所述基材上的氯化鏈段，將所述氯化鏈段與過(guò)量的干氫醌反應(yīng)以產(chǎn)生附著的酚基，將所述酚基與肉桂酸反應(yīng)以提供附著到所述基材 的M鏈，所述^f連包含碳氟鏈段、可交聯(lián)雙鍵和親水羧酸或鹽端基。
13、 一種如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括將正電荷通過(guò)DC電場(chǎng)施加到所述基材上或?qū)⑺龇肿渔湵┞队谟H水溶劑而使得所述表面上的所述鏈伸 展，所述離子性基團(tuán)的指向背離所述表面。
14、 一種如權(quán)利要求13的方法，進(jìn)一步包括將所述分TI連暴露于波長(zhǎng)大于 260nm的紫外光以i^M31肉桂酸鍵的光二聚作用進(jìn)行UV固化以提供交聯(lián) 的相鄰分子鏈。
15、 一種如權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括把負(fù)電荷施加到所述基材上 或?qū)⑺龇肿渔湵┞队谑杷軇?，以使得所述鏈彎曲以及使得所述離子性基 團(tuán)附著到所述基材上。
16、 一種如權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括將所述交聯(lián)的M鏈暴露 于波長(zhǎng)小于260nm的紫外光以使相鄰的分，去交聯(lián)。
17、 一種包括燃料電池雙極板的產(chǎn)品，所述雙極板包括包含圖案化表面的 基材，所述圖案化表面包含含有多個(gè)分子鏈的疏水和親水區(qū)域，每^l連含有親 水基團(tuán)、1^7K鏈段和可逆的交聯(lián)的部分。
18、 一種如權(quán)利要求17所述的產(chǎn)品，其中親水區(qū)域中的鏈伸展使得所述親水基團(tuán)離所述基材最遠(yuǎn)以提供所述親水基團(tuán)的表面。
19、 一種如權(quán)利要求17所述的產(chǎn)品，其中在所述親水區(qū)域中的所述親7jl基 團(tuán)中的鏈彎曲以至于所述親水基團(tuán)附著到所述基材，并提供了所述疏7jC鏈段的表面。
20、 一種如權(quán)利要求17所述的產(chǎn)品，其中所m極板不包括由平臺(tái)和平臺(tái) 之間的通道限定的反應(yīng)物流場(chǎng)。
21、 一種如權(quán)利要求17所述的產(chǎn)品，其中所艦極板包括由至少兩個(gè)平臺(tái) 和平臺(tái)之間的通道限定的反應(yīng)物氣體流場(chǎng)，所述M至少部分被底表面限定， 且其中所述圖案化的表面在所述底表面上。
22、 一種包含it料電池雙極板的產(chǎn)品，所述燃料電池雙極板具有由至少多 個(gè)平臺(tái)和通道限定于其中的反應(yīng)物氣體流場(chǎng)，所M道至少部分由表面限定， 在所述表面上的虛擬微溝槽包含各自包含親水基團(tuán)和交聯(lián)的部分的多個(gè)分子 鏈。
23、 一種如權(quán)利要求22所述的產(chǎn)品，其中W^miit—步包含i[7jC鏈段。
24、 一種如權(quán)利要求22所述的產(chǎn)品，其中所述交聯(lián)的部分被可逆地交聯(lián)。
25、 一種如權(quán)利要求22所述的產(chǎn)品，其中該區(qū)域?qū)挾刃∮?0"m。
全文摘要
本發(fā)明涉及親水性/疏水性圖案化表面及其制備和使用方法。一種實(shí)施方案包括具有多個(gè)分子鏈的基材，每個(gè)鏈包含親水基團(tuán)、疏水鏈段和可逆交聯(lián)劑。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101587960SQ20081021548
公開(kāi)日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2008年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月13日
發(fā)明者T·謝 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司