一种微结构锥形针的制作方法

摘要

本发明公开一种微结构锥形针的制作方法，涉及微纳米制造技术领域；包括步骤：步骤一，制作图案化挤出针头；步骤二，制备聚合物流体；步骤三，搭建倒置3D打印平台，控制图案化挤出针头三维位置，控制聚合物流体的挤出；步骤四，控制图案化挤出针头与基板接触，之后挤出针头下移，同时挤出聚合物，保持挤出速度与下移速度一致，挤出一段短柱状聚合物流体，之后停止聚合物挤出，控制图案化挤出针头快速下移，聚合物短柱出现拉伸颈缩，直至拉断，形成锥形针；步骤五，改变挤出针头或基板位置，重复步骤一至步骤四，实现规模化快速制作；步骤六，对拉断形成的聚合物锥形针进行固化。本发明能够进行低成本、高效率、大批量制作微结构锥形针。

权利要求

1.一种微结构锥形针的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一，制作图案化挤出针头，根据需要制造单个多阵列设置的多个图案化挤出针头，从而便于大批量协同制造；

步骤二，制备具有稠度，且可以固化形成锥形针的聚合物流体，所述聚合物流体采用增稠后的聚二甲基硅氧烷、硅胶或环氧树脂；

步骤三，搭建倒置3D打印平台，倒置3D打印平台控制图案化挤出针头三维位置，使用气泵控制聚合物流体的挤出；

步骤四，开始制作时，控制图案化挤出针头与倒置3D打印平台的基板接触，之后挤出针头下移，同时挤出聚合物，保持挤出速度与下移速度一致，挤出一段短柱状聚合物流体，之后停止聚合物挤出，控制图案化挤出针头快速下移，聚合物短柱出现拉伸颈缩，直至拉断，形成锥形针；

步骤五，倒置3D打印平台改变图案化挤出针头或基板位置，重复步骤一至步骤四，实现规模化快速制作；

步骤六，对拉断形成的聚合物锥形针进行固化，最终形成微结构锥形针。

2.根据权利要求1所述的微结构锥形针的制作方法，其特征在于：所述图案化挤出针头为一级微结构图案化挤出针头或二级微结构图案化挤出针头；所述一级微结构图案化挤出针头包括圆筒状的针头部，所述针头部内均匀环设有多个第一限位凸起，所述第一限位凸起高度大于所述针头部的高度，且相邻两个所述第一限位凸起之间具有与所述针头部连通的缝隙；所述第一限位凸起的内侧面为平滑的弧形结构，且多个所述第一限位凸起的内侧面投影位于同一个与所述针头部同心的第一虚拟圆上。

3.根据权利要求2所述的微结构锥形针的制作方法，其特征在于：所述二级微结构图案化挤出针头包括圆筒状的针头部，所述针头部内均匀环设有多个第一限位凸起，所述第一限位凸起高度大于所述针头部的高度，且相邻两个所述第一限位凸起之间具有与所述针头部连通的缝隙；所述第一限位凸起内侧均匀环设有多个第二限位凸起，且所述第二限位凸起的高度大于所述第一限位凸起的高度；多个所述第二限位凸起的内侧面投影位于同一个与所述针头部同心的第二虚拟圆上，且所述第二虚拟圆的直径小于第一虚拟圆的直径。

4.根据权利要求2所述的微结构锥形针的制作方法，其特征在于：所述图案化挤出针头设置有多个，多个所述图案化挤出针头呈阵列式布置；多个所述图案化挤出针头远离针头部的一端通过多个二级树形通道结构连通。

说明书

一种微结构锥形针的制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微纳米制造技术领域，特别是涉及一种微结构锥形针的制作方法。

背景技术

[0002] 在自然界中，捕虫植物瓶子草近期受到了研究人员的关注，其中上部的瓶盖上分布着许多细小绒毛，这些绒毛是瓶子草捕食的关键。研究发现在瓶子草绒毛上分布有一种
特殊的高低棱间隔分布的特殊结构，利用多级的毛细拉力，绒毛可以收集空气中的水，并且
运输至瓶盖的底部，使得瓶口内壁浸润并保持湿滑，从而使得落在瓶口的昆虫滑入瓶子草
瓶中。

[0003] 通过实验发现，具有仿瓶子草绒毛高低棱间隔分布结构的锥形针有很高的应用价值，其对于水膜的搬运速度和搬运量有很大的提升，可以仅依靠表面微结构产生的毛细力，
就可以实现水雾的收集、液膜的浸润，微流体的定向快速搬运等功能。然而微结构锥形针由
于尺寸精细微小，传统工艺难以加工。现有技术中，虽然几种精密加工技术可以实现微结构
锥形针的加工制作，如LIGA技术、超高精度3D打印技术、激光精密加工等，但是这些精密加
工技术制作成本高，且制作过程复杂，制作周期长，不适用于大批量快速制作。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种微结构锥形针的制作方法，以解决上述现有技术存在的问题，使微结构锥形针能够进行低成本、高效率、大批量制作。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0006] 本发明提供一种微结构锥形针的制作方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤一，制作图案化挤出针头，根据需要制造单个多阵列设置的多个图案化挤出针头，从而便于大批量协同制造；

[0008] 步骤二，制备具有稠度，且可以固化形成锥形针的聚合物流体，由于制造过程中，从挤出到拉断时会出现聚合物短柱拉伸颈缩的现象，因此使用的可固化聚合物需要具有一
定稠度，包括但不限于增稠后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、道康宁1700、硅胶、环氧树脂等。固
化后形成的二级微结构锥形针具有一定的柔性，便于实现形态调控；

[0009] 步骤三，搭建倒置3D打印平台，倒置3D打印平台控制图案化挤出针头三维位置，使用气泵控制聚合物流体的挤出；

[0010] 步骤四，开始制作时，控制图案化挤出针头与倒置3D打印平台的基板接触，之后挤出针头下移，同时挤出聚合物，保持挤出速度与下移速度一致，挤出一段短柱状聚合物流
体，之后停止聚合物挤出，控制图案化挤出针头快速下移，聚合物短柱出现拉伸颈缩，直至
拉断，形成锥形针；

[0011] 步骤五，倒置3D打印平台改变图案化挤出针头或基板位置，重复步骤一至步骤四，实现规模化快速制作；

[0012] 步骤六，对拉断形成的聚合物锥形针进行固化，最终形成微结构锥形针。

[0013] 可选的，所述图案化挤出针头为一级微结构图案化挤出针头或二级微结构图案化挤出针头；所述一级微结构图案化挤出针头包括圆筒状的针头部，所述针头部内均匀环设
有多个第一限位凸起，所述第一限位凸起高度大于所述针头部的高度，且相邻两个所述第
一限位凸起之间具有与所述针头部连通的缝隙；所述第一限位凸起的内侧面为平滑的弧形
结构，且多个所述第一限位凸起的内侧面投影位于同一个与所述针头部同心的第一虚拟圆
上。

[0014] 可选的，所述二级微结构图案化挤出针头包括圆筒状的针头部，所述针头部内均匀环设有多个第一限位凸起，所述第一限位凸起高度大于所述针头部的高度，且相邻两个
所述第一限位凸起之间具有与所述针头部连通的缝隙；所述第一限位凸起内侧均匀环设有
多个第二限位凸起，且所述第二限位凸起的高度大于所述第一限位凸起的高度，第二限位
凸起位于相邻两个第一限位凸起之间；多个所述第二限位凸起的内侧面投影位于同一个与
所述针头部同心的第二虚拟圆上，且所述第二虚拟圆的直径小于第一虚拟圆的直径。不仅
在图案化挤出针头的针头部内壁加入凸起形成沟槽，而且将凸起延伸，裸露于针头外部。这
是由于在制作过程中，聚合物与基板接触时，会压缩聚合物，聚合物直径增大，与针头外壁
接触，由于表面张力，会在后续的挤出过程中破坏挤出形状，严重影响成形效果。经过实验
证明，裸露于针头外部的凸起可以极大程度上保持挤出形状。

[0015] 可选的，所述图案化挤出针头设置有多个，多个所述图案化挤出针头呈阵列式布置；多个所述图案化挤出针头远离针头部的一端通过多个二级树形通道结构连通。

[0016] 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

[0017] 本发明制作而成的二维微结构锥形针在水雾收集及微流体定向搬运中具有很高的效率。与现有制造技术相比，本发明提供的二级微结构锥形针的制作方法操作简单，制作
速度快，易于大规模快速制作，还可以使用树形通道阵列挤出针头，多倍提升制作速度。此
外，通过在聚合物流体中添加场控颗粒，在固化成形前后，都可以通过外场控制锥形刺的形
态，更加丰富了锥形刺的应用场景。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。

[0019] 图1为本发明微结构锥形针的制作过程示意图；

[0020] 图2‑1为本发明一级微结构图案化挤出针头结构示意图；

[0021] 图2‑2为本发明二级微结构图案化挤出针头结构示意图；

[0022] 图3‑1为本发明二级微结构锥形针结构示意图；

[0023] 图3‑2为本发明二级微结构锥形针剖面示意图；

[0024] 图4‑1为本发明阵列布置的图案化挤出针头结构示意图；

[0025] 图4‑2为本发明阵列布置的图案化挤出针头剖面示意图；

[0026] 图5为具有场控颗粒的二级微结构锥形针在外界场作用下的形变图；

[0027] 图6为应用二级微结构锥形针用于水雾收集示意图；

[0028] 其中，1为图案化挤出针头、2为基板、3为微结构锥形针、4为一级微结构图案化挤出针头、5为二级微结构图案化挤出针头、6为第一限位凸起、7为第二限位凸起、8为针头部。

具体实施方式

[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030] 本发明的目的是提供一种微结构锥形针的制作方法，以解决上述现有技术存在的问题，使微结构锥形针能够进行低成本、高效率、大批量制作，制作出来的微结构锥形针可
以用于水雾收集、微流体定向搬运中。

[0031] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0032] 参考附图1所示，本发明提供一种微结构锥形针的制作方法，包括如下步骤：

[0033] 步骤一，制作图案化挤出针头1，根据需要制造单个多阵列设置的多个图案化挤出针头1，从而便于大批量协同制造；

[0034] 步骤二，制备具有稠度，且可以固化形成锥形针的聚合物流体，由于制造过程中，从挤出到拉断时会出现聚合物短柱拉伸颈缩的现象，因此使用的可固化聚合物需要具有一
定稠度，包括但不限于增稠后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、道康宁1700、硅胶、环氧树脂等。固
化后形成的二级微结构锥形针具有一定的柔性，便于实现形态调控；

[0035] 步骤三，搭建倒置3D打印平台，倒置3D打印平台控制图案化挤出针头1三维位置，使用气泵控制聚合物流体的挤出；

[0036] 步骤四，开始制作时，控制图案化挤出针头1与倒置3D打印平台的基板2接触，之后图案化挤出针头1下移，同时挤出聚合物，保持挤出速度与下移速度一致，挤出一段短柱状
聚合物流体，之后停止聚合物挤出，控制图案化挤出针头1快速下移，聚合物短柱出现拉伸
颈缩，直至拉断，形成微结构锥形针3；

[0037] 步骤五，倒置3D打印平台改变图案化挤出针头1或基板2位置，重复步骤一至步骤四，实现规模化快速制作；

[0038] 步骤六，对拉断形成的聚合物材质的微结构锥形针3进行固化。

[0039] 参考附图2‑1和图2‑2，图案化挤出针头1为一级微结构图案化挤出针头4或二级微结构图案化挤出针头5；一级微结构图案化挤出针头4包括圆筒状的针头部8，针头部8内均
匀环设有多个第一限位凸起6，第一限位凸起6高度大于针头部8的高度，且相邻两个第一限
位凸起6之间具有与针头部8连通的缝隙；第一限位凸起6的内侧面为平滑的弧形结构，且多
个第一限位凸起6的内侧面投影位于同一个与针头部8同心的第一虚拟圆上。二级微结构图
案化挤出针头5包括圆筒状的针头部8，针头部8内均匀环设有多个第一限位凸起6，第一限
位凸起6高度大于针头部8的高度，且相邻两个第一限位凸起6之间具有与针头部8连通的缝
隙；第一限位凸起6内侧均匀环设有多个第二限位凸起7，且第二限位凸起7的高度大于第一
限位凸起6的高度，第二限位凸起7位于相邻两个第一限位凸起6之间，于不同的实施例中，
第二限位凸起7与第一限位凸起6交错设置；第二限位凸起7数量可以比第一限位凸起6数量
多一倍，从而相邻两个第二限位凸起7为一组，每组第二限位凸起7均与一个第一限位凸起6
对应布置，还可以设置成其他布置形式，本发明不做具体限制，只要可以实现二级微结构锥
形针的制造即可；多个第二限位凸起7的内侧面投影位于同一个与针头部8同心的第二虚拟
圆上，且第二虚拟圆的直径小于第一虚拟圆的直径。本发明不仅在图案化挤出针头1的针头
部8内壁加入凸起形成沟槽，而且将凸起延伸，裸露于针头外部。这是由于在制作过程中，聚
合物与基板接触时，会压缩聚合物，聚合物直径增大，与针头外壁接触，由于表面张力，会在
后续的挤出过程中破坏挤出形状，严重影响成形效果。经过实验证明，裸露于针头外部的凸
起可以极大程度上保持挤出形状。图2‑1为可以制作成具有一级微结构锥形刺的图案化挤
出针头1，图2‑2为可以制作成具有高低棱二级微结构锥形刺的图案化挤出针头1，图案化挤
出针头1可以使用3D打印、机械加工、激光加工等制作而成。采用图2‑2中针头制作的一级微
结构锥形针如图3‑1所示，其中附图3‑2为二级微结构锥形针的剖面图，图中，深沟槽对应的
为第二限位凸起7，浅沟槽对应的为第一限位凸起6，第二限位凸起7位于两个第一限位凸起
之间，或者第一限位凸起6位于两个第二限位凸起7之间均可，本发明不做具体结构和布置
形式限制，其中第一限位凸起6和第二限位凸起7的具体宽度、高度的尺寸大小，第二限位凸
起7数目与两个第二限位凸起7之间均匀分布的第一限位凸起6数目，是根据具体的制备能
力以及具体的需求而定。

[0040] 如图4‑1和图4‑2所示，图案化挤出针头1设置有多个，多个图案化挤出针头呈阵列式布置；多个图案化挤出针头远离针头部的一端通过多个二级树形通道结构连通，此种结
构可以确保挤出过程中，各个针头内挤出的聚合物流体流量相同，从而使得能够同时制造
多个结构和大小相同的微结构锥形针。

[0041] 本发明采用倒置3D打印的方法，实现对锥形针的快速阵列化制作，在对3D打印挤出针头处进行图案化后，可以制作出具有微沟槽甚至高低棱微结构的锥形针，使得锥形针
能够以更快的速度、更大的液量搬运液滴。使用阵列化挤出针头，可以多倍提升锥形针的制
作速度。在掺杂场控颗粒后，可以通过外场作用控制锥形针的形态。图5为掺杂场控颗粒后
的二级微结构锥形针在外场作用下改性形态的示意图。其中外场可以为磁场、电场、光场，
相对应的场控颗粒可以为磁场对应钕铁硼颗粒，电场对应碳颗粒，光场对应四氧化三铁颗
粒。图6为应用二级微结构锥形针进行水雾收集的示意图。将二级微结构锥形针表面进行超
亲水处理，放置于湿润环境中，即可将环境中的水凝结于锥形针表面，并在拉普拉斯压差作
用下将水滴从锥形针顶端运输至底端，并持续进行收集。

[0042] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了
便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅
用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0043] 本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依
据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应
理解为对本发明的限制。