方法文章

不锈钢上滑润表面的制备及其高温防粘附行为

DOI：

10.3791/55888

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2018年3月29日

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1School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University

本文内容

摘要

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光滑表面为解决黏附问题提供了新方法。本方案描述了如何在高温条件下制备光滑表面。结果表明，这些光滑表面在高温下对液体具有抗润湿性，并对软组织表现出显著的抗黏附效果。

摘要

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具有耐高温性能的防粘附表面在电外科器械、发动机和管道等领域具有广泛的应用前景。然而，典型的抗润湿超疏水表面在接触高温液体时容易失效。近年来， 猪笼草受启发的超滑表面为解决黏附问题提供了一种新方法。超滑表面上的润滑层可在被排斥物质与表面结构之间形成屏障。然而，以往研究中的超滑表面很少表现出耐高温性能。本文描述了一种制备耐高温超滑表面的实验方案。采用光刻辅助方法在不锈钢表面制备柱状结构，通过硅烷化试剂对表面进行功能化修饰，并添加硅油以构建超滑表面。所制备的超滑表面即使在加热至300 °C时，仍能保持对水的抗润湿特性。此外，该超滑表面在高温下对软组织也表现出优异的抗黏附效果。此类不锈钢基超滑表面可应用于医疗器械、机械设备 等等.

引言

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高温下用于液体和软组织的防粘附表面因其在电外科器械、发动机和管道中的广泛应用前景而受到广泛关注 等。1,2,3,4仿生表面，特别是超疏水表面，因其优异的抗润湿性能和自清洁特性而被视为理想选择5在超疏水表面中，抗润湿能力应归因于表面结构中被锁住的空气。然而，超疏水状态并不稳定，因其处于Cassie-Baxter状态。6,7此外，在高温下，由于液滴的润湿状态从Cassie-Baxter态向Wenzel态转变，抗润湿性能可能失效。8这种润湿转变是由液体微滴在结构中的润湿所引发的，导致无法将空气固定在原位。

最近，受猪笼草（Nepenthes）捕虫笼口缘区滑润特性的启发，Wong et al. 报道了一种通过将润滑剂注入表面微结构来构建滑润表面的新概念9,10

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方案

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1. 不锈钢上的光刻技术

  1. 使用机械制图软件设计光刻掩模，并将设计文件提交至光刻掩模打印机进行制作4。
  2. 将不锈钢（316 SS；长×宽：4 cm × 4 cm，厚度：1 mm）在室温下用碱性溶液（50 g/L NaOH 和 40 g/L Na2CO3）冲洗 15 分钟，以去除油性污染物。
  3. 将不锈钢放入超声波清洗机中进行超声清洗（工作频率：40 KHz，超声功率：500 W），彻底清洁。随后依次用去离子水、正己烷、丙酮和乙醇各清洗 10 分钟。
  4. 将不锈钢置于 150 °C 的加热板上干燥 30 分钟。用铝（Al）箔覆盖不锈钢表面，以进行保护。
  5. 将不锈钢放置在匀胶旋涂仪的中心位置。使用滴管将正性光刻胶（约 1 mL）从中心向边缘滴加至不锈钢表面，直至光刻胶完全覆盖不锈钢。避免在光刻胶中产生气泡。
    1. 进行旋涂，首先以 700 rpm/min 的速度旋转 6 秒，启动旋涂过程，然后以 1,500 rpm/min 的速度旋转 15 秒，使光刻胶均匀铺展。
  6. 释放真空阀，用镊子取出不锈钢。将不锈钢置于 120 °C 的加热板上烘烤 2 分钟，以固化光刻胶。
  7. 将不锈钢放置在光刻机的真空吸附台上。将光刻机的曝光时间设置为 25 秒。
    注：此处使用的光刻机为....

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结果

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通过将硅油添加到经OTS涂层和化学蚀刻处理的不锈钢表面制备出光滑表面。由于二者具有相似的化学性质，硅油完全润湿了该表面。润湿过程如图所示 图1a红色虚线标记润湿线。润湿后，可见的油层与干燥表面可明显区分。通过在倾斜角约为2°的滑润表面上沉积水滴，考察所制备滑润表面的滑润性能。 图1b 显示 原位 水滴在光滑表面上的运动。黄色虚线标记了接触线，结果表明水滴在光滑表面上漂浮并滑动。

研究了制备的滑润表面在高温下对水滴的抗润湿行为。将滑润表面加热至不同温度，并在表面放置水滴。在200 °C时（图2a），水滴首先牢固地接触表面，随后液滴与表面之间的接触面积减小；约6,200 ms后，水滴开始从表面滑落。在250 °C时（图2.......

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讨论

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本文详细描述了制备具有耐高温性能的滑润表面的实验方案。通过观察水滴在该表面的易滑动行为，验证了所制备表面的滑润特性。随后，通过将水滴沉积在高温表面上，研究了该滑润表面在不同高温条件下的抗润湿性能。结果表明，即使将表面加热至300 °C以上，所制备的滑润表面仍能保持其滑润特性。我们还评估了该滑润表面对于软组织的抗黏附效果。

与超疏水表面不同，滑润表面的表面结构起到固定注入润滑剂的作用。根据先前的研究25，由于OTS涂层表面优先亲和硅油，水滴会漂浮在注入硅油的表面结构上，如图1B所示。此外，这种液/液/固界面使表面对于与硅油不混溶的液滴具有极低的接触角滞后。因此，水滴能够轻易地在所制备的滑润表面上滑动。

由于不锈钢基底、功能化层OTS以及灌注的硅油具有优异的耐高温性能，所制备的滑润表面在极高温度下仍能保持其滑润特性。然而，在高温下，水滴不会在表面滑动，而是能够在表面滚动。该现象可归因于莱顿弗罗斯特效应

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披露

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本工作得到国家自然科学基金（项目编号：51290292）和北京航空航天大学博士研究生学术卓越基金的资助。

....

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
不锈钢宏图公司316接收时使用
十八烷基三氯硅烷华夏试剂112-04-9接收时使用
光刻胶Kempur Microelectronic Corporation317S接收时使用
硅油北京化工厂350 cst使用
无水甲苯北京化工108-88-3使用收到的
磷酸 （H3PO4）天津化工股份有限公司7664-38-2使用收到的
盐酸 （HCl）天津化工股份有限公司7647-01-0按收货方式使用
F氯化物 （FeCl3）天津化工股份有限公司7705-08-0按收货方式使用
光学正置显微镜奥林巴斯BX51
光学体视显微镜奥林巴斯SZX16
高速相机奥林巴斯i-SPEED LT
超声波清洗机昆山超声波仪器有限公司KQ-500E
测功机乐清市恒达皮仪器有限公司HP-5
机械手乐清市恒沁仪器有限公司HLD
热板Shenzhen Jingyihuang CorporationDRB-1
接收

参考文献

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  1. Liu, Y., Chen, X., Xin, J. H. Can superhydrophobic surfaces repel hot water? J Mater Chem. 19 (31), 5602-5611 (2009).
  2. Urata, C., Masheder, B., Cheng, D. F., Hozumi, A. A thermally stable, durable and temperature-dependent oleophobic surface of a polymethylsilsesquioxane film. Chem Commun. 49, 3318-3320 (201....

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