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一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置及调控方法

阅读：1025发布：2020-07-15

IPRDB可以提供一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置及调控方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置，包括微量液体泵、液压表、调控芯片、管系、微量气体泵、气体开关、气压表、推杆、水槽和微控制器，调控芯片是由硅片隔成气体容腔和液体通道腔的透明封闭容器，硅片上均匀的开有微孔，液体通道腔前端液体入口与微量液体泵相连，液压表连接在管路上，液体通道腔的后端设有与水槽相连的液体出口；气体容腔的前端设有与微量气体泵相连的气体入口，气体开关和气压表连接在管路上，气体容腔的底面是弹性薄膜；推杆置于弹性薄膜外的中心处，与弹性薄膜面相接触，推杆与微控制器相连。调控方法是：调节推杆在0位与最大推程间运动，实现表面润湿性调控。有益效果是：易于实现，重复性好，适用于微流体系统。，下面是一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置及调控方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置，包括微量液体泵（1）、液压表（2）、调控芯片（3）、管系（4）、微量气体泵（5）、气体开关（6）、气压表（7）、推杆（8）、水槽（9）和微控制器（10），其特征在于：所述调控芯片（3）是具有两个腔的透明封闭容器，所述两个腔的上腔是液体通道腔（13），下腔是气体容腔（16），液体通道腔（13）和气体容腔（16）之间由硅片（15）隔开，所述硅片（15）上均匀的开有微孔（19），所述液体通道腔（13）的前端设有液体入口（11），液体入口（11）用管路与微量液体泵（1）出口相连，液压表（2）连接在液体入口与微量液体泵出口相连的管路上，微量液体泵（1）进口用管路与水槽（9）相连，液体通道腔（13）的后端设有液体出口（14），液体出口（14）用管路与水槽（9）相连；所述气体容腔（16）的前端设有气体入口（18），气体入口（18）用管路与微量气体泵（5）相连，在微量气体泵（5）与气体入口（18）相连的管路上依次接有气体开关（6）和气压表（7），气体容腔的底面是弹性薄膜（17）；所述推杆（8）置于气体容腔底面弹性薄膜（17）外的中心处，与弹性薄膜（17）面相接触，推杆（8）与微控制器（10）相连。

2.根据权利要求1所述一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置，其特征在于：所述

硅片（15）上的微孔（19）直径为0.03～0.08mm，相邻微孔的间距为0.08～0.12mm。

3.根据权利要求1所述一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置，其特征在于：所述

气体容腔（16）长宽和液体通道腔（13）长宽相同，气体容腔（16）高度比液体通道腔（13）高度高3～7mm。

4.权利要求1所述一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置的调控方法，其特征在

于：所述调控方法包括以下步骤：

1）启动微量气体泵（5），打开气体管路上的气体开关（6），同时启动微量液体泵（1），微量液体泵（1）和微量气体泵（5）分别向液体通道腔（13）和气体容腔（16）通入液体和气体，并使液体入口（11）压力比气体入口（18）压力大0.1Pa～10Pa，观察硅片（15）底面，在液体通过微孔（19）进入气体容腔（16）时，立即通过微量气体泵（5）增大气体入口（18）压力，在气体将液体刚刚推出气体容腔（16）时，立即关闭微量气体泵（5），保持微量液体泵（1）运行；

2）在气液界面稳定在微孔（19）的下半部时，液体完全浸没微孔，满足文策尔（wenzel）模型，即为亲水模型；

3）控制微控制器（10）推动推杆（8）从0位向上推动弹性薄膜（17），使弹性薄膜（17）慢慢向上凸起，气体容腔（16）的体积缩小，气体容腔内部气体压力升高，在气液界面上升至硅片（15）上表面，气体在液体通道腔（13）形成一个气泡时，微控制器（10）停止推动推杆（8），液体没有浸没微孔（19），对应的气液固三相模型为卡西尔（cassie）模型，即为疏水模型，记录此时推杆（8）的推程，记为最大推程；

4）完成以上三步的调控过程后，对硅片（15）表面的润湿性调控就由控制微控制器

（10）控制推杆（8）在0～最大推程范围移动，就可以实现硅片（15）表面从亲水到疏水的可逆调控过程。

说明书全文

一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置及调控方法

技术领域

[0001] 本发明属于微量流体技术领域，尤其涉及材料表面润湿性调控技术。

背景技术

[0002] 润湿是日常生产和生活中常见的现象，润湿性是固体表面的重要特性之一。超疏水表面在国防、工农业生产和人们日常生活中具有广泛的应用前景，引起了人们的极大关注。超疏水表面已经被应用于天线、门窗防积雪，船、潜艇等外壳减小阻力，石油输送管道内壁、微量注射器针尖防止粘附堵塞，减少损耗，纺织品、皮革制品防水防污等。

[0003] 润湿性可控的表面，是在外界环境的刺激下材料表面与液滴的接触角可以发生可逆变化的表面。通过适当改变外界环境条件，可以实现表面润湿性在疏水与亲水之间，甚至在超疏水与超亲水之间转化。现有技术中主要通过两种途径实现表面润湿性的调控：一种是表面微结构的调控，即依靠外界环境的刺激作用使固体表面的形貌发生可逆转变，从而使液滴在材料表面的状态发生响应和变化。如张继林等人在德国期刊《大分子快讯(Macromolecular Rapid Communication)》第26卷第6期上发表的题为“基于对弹性聚酰胺膜拉伸和卸载的表面超疏水/超亲水可逆调控(Reversible Superhydrophobicity to Superhydrophilicity Transition by Extending and Unloading an Elastic Polyamide Film)”的论文，文中记载了使用拉伸表面的方法实现表面接触角在151.2°和0°之间的可逆调控。其不足是：此种调控方法需要改变表面的整体形状，表面微结构的调控难以在线控制，实现反复调控比较复杂，不适用于使用在微流体系统中。另一种是表面自由能调控，即在保持材料表面形貌的条件下，利用外界环境的刺激作用定向改变材料表面化学组成，从而改变表面自由能，使液滴在表面的接触角相应地发生变化。通过表面自由能调控可以快速、有效地实现材料表面润湿性的在线操控。现有技术最常用的方法为紫外照射，如刘长松等人在《中国有色金属学报》第17卷第10期上发表的题名为“HF对微纳米ZnO的形貌及其润湿性的影响”的论文，文中记载了真空紫外光照射对微纳米ZnO结构表面润湿性的影响，实现表面润湿性调控。其不足是：实现反复调控比较复杂，不适用于微流体系统。

[0004] 之所以说不适用于微流体系统中，是因为润湿性可调控表面作为微通道的壁面，在微流体系统装配完成后，润湿性可调控表面整体形状很难再发生改变，对其表面进行紫外照射也比较困难。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种操作方便，且适用于微流体系统的表面润湿性调控装置及调控方法，克服现有技术的不足。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置，包括微量液体泵、液压表、调控芯片、管系、微量气体泵、气体开关、气压表、推杆、水槽和微控制器，其特征在于：所述调控芯片是具有两个腔的透明封闭容器，所述两个腔的上腔是液体通道腔，下腔是气体容腔，液体通道腔和气体容腔之间由硅片隔开，所述硅片上均匀的开有微孔，所述液体通道腔的前端设有液体入口，液体入口用管路与微量液体泵出口相连，液压表连接在液体入口与微量液体泵出口相连的管路上，微量液体泵进口用管路与水槽相连，液体通道腔的后端设有液体出口，液体出口用管路与水槽相连；所述气体容腔的前端设有气体入口，气体入口用管路与微量气体泵相连，在微量气体泵与气体入口相连的管路上依次接有气体开关和气压表，气体容腔的底面是弹性薄膜；所述推杆置于气体容腔底面弹性薄膜外的中心处，与弹性薄膜面相接触，推杆与微控制器相连。

[0007] 本发明所述一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置，其特征在于：所述硅片上的微孔直径为0.03～0.08mm，相邻微孔的间距为0.08～0.12mm。

[0008] 本发明所述一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置，其特征在于：所述气体容腔长宽和液体通道腔长宽相同，气体容腔高度比液体通道腔高度高3～7mm。

[0009] 本发明所述一种基于薄膜变形的表面润湿性调控装置的调控方法，其特征在于：所述调控方法包括以下步骤：

[0010] 1)启动微量气体泵，打开气体管路上的气体开关，同时启动微量液体泵，微量液体泵和微量气体泵分别向液体通道腔和气体容腔通入液体和气体，并使液体入口压力比气体入口压力大0.1Pa～10Pa，观察硅片底面，在液体通过微孔进入气体容腔时，立即通过微量气体泵增大气体入口压力，在气体将液体刚刚推出气体容腔时，立即关闭微量气体泵，保持微量液体泵运行；

[0011] 2)在气液界面稳定在微孔的下半部时，液体完全浸没微孔，满足文策尔(wenzel)模型，即为亲水模型；

[0012] 3)控制微控制器推动推杆从0位向上推动弹性薄膜，使弹性薄膜慢慢向上凸起，气体容腔的体积缩小，气体容腔内部气体压力升高，在气液界面上升至硅片上表面，气体在液体通道腔形成一个气泡时，微控制器停止推动推杆，液体没有浸没微孔，对应的气液固三相模型为卡西尔(cassie)模型，即为疏水模型，记录此时推杆的推程，记为最大推程；

[0013] 4)完成以上三步的调控过程后，对硅片表面的润湿性调控就由控制微控制器控制推杆在0～最大推程范围移动，就可以实现硅片表面从亲水到疏水的可逆调控过程。

[0014] 本发明主要是利用压力法实现了超疏水表面润湿性的可逆调控，薄膜的形状随着推杆位置的变化而变化，从而改变了微气体容腔内的气体压力，最终实现表面润湿性的改变。

[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0016] 4.采用的是基于压力的方法，在表面润湿性调控方面用的较少。

[0017] 5.易于实现，重复性好。

[0018] 6.适用于微流体系统。

附图说明

[0019] 图1是基于薄膜变形的表面润湿性调控装置回路示意图。

[0020] 图2是调控芯片示意图。

[0021] 图3是硅片结构示意图。

[0022] 图4是弹性薄膜形状变化0位示意图。

[0023] 图5是弹性薄膜形状变化最大推程位示意图。

[0024] 图中1.微量液体泵，2.液压表，3.调控芯片，4.管系，5.微量气体泵，6.气体开关，7.气压表，8.推杆，9.水槽，10.微控制器，11.液体入口，12.壁面，13液体通道腔，14.液体出口，15.硅片，16.气体容腔，17.弹性薄膜，18.气体入口，19.微孔，20.液体，
21.气液界面，22.气体，d、最大推程。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和实施例对本发明进行进一步地描述。

[0026] 基于薄膜变形的表面润湿性调控装置包括微量液体泵1、液压表2、调控芯片3、管系4、微量气体泵5、气体开关6、气压表7、推杆8、水槽9和微控制器10，调控芯片3是具有两个腔的透明封闭容器，两个腔的上腔是液体通道腔13，下腔是气体容腔16，液体通道腔1和气体容腔16之间由硅片15隔开，硅片15上均匀的开有微孔19，微孔19直径为0.05mm，相邻微孔的间距为0.10mm。液体通道腔13的前端设有液体入口11，液体入口11用管路与微量液体泵1出口相连，液压表2连接在液体入口与微量液体泵出口相连的管路上，微量液体泵1进口用管路与水槽9相连，液体通道腔13的后端设有液体出口14，液体出口14用管路与水槽9相连；气体容腔16的前端设有气体入口18，气体入口18用管路与微量气体泵5相连，在微量气体泵5与气体入口18相连的管路上依次接有气体开关6和气压表7，气体容腔的底面是弹性薄膜17，气体容腔16长宽和液体通道腔13长宽相同，气体容腔16高度比液体通道腔13高度高5mm；推杆8置于气体容腔底面弹性薄膜17外的中心处，与弹性薄膜17面相接触，推杆8与微控制器10相连。

[0027] 调控方法包括以下步骤：

[0028] 1)启动微量气体泵5，打开气体管路上的气体开关6，同时启动微量液体泵1，微量液体泵1和微量气体泵5分别向液体通道腔13和气体容腔16通入液体和气体，并使液体入口11压力比气体入口18压力大5Pa，观察硅片15底面，在液体通过微孔19进入气体容腔16时，立即通过微量气体泵5增大气体入口18压力，在气体将液体刚刚推出气体容腔16时，立即关闭微量气体泵5，保持微量液体泵1运行；

[0029] 2)在气液界面稳定在微孔19的下半部时，液体完全浸没微孔，满足文策尔(wenzel)模型，即为亲水模型；

[0030] 3)控制微控制器10推动推杆8从0位向上推动弹性薄膜17，使弹性薄膜17慢慢向上凸起，气体容腔16的体积缩小，气体容腔内部气体压力升高，在气液界面上升至硅片15上表面，气体在液体通道腔13形成一个气泡时，微控制器10停止推动推杆8，液体没有浸没微孔19，对应的气液固三相模型为卡西尔(cassie)模型，即为疏水模型，记录此时推杆8的推程，记为最大推程；

[0031] 4)完成以上三步的调控过程后，对硅片15表面的润湿性调控就由控制微控制器10控制推杆8在0～最大推程范围移动，就可以实现硅片15表面从亲水到疏水的可逆调控过程。

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