Articolo metodologico

Comportamento di anti-adesione preparazione e ad alta temperatura di una superficie scivolosa su acciaio inossidabile

DOI:

10.3791/55888

⸱

29 marzo 2018

 ,  ,  ,  , 
1School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University

In questo articolo

Sommario

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Superfici scivolose forniscono un nuovo modo per risolvere il problema di adesione. Questo protocollo descrive come fabbricare superfici scivolose alle alte temperature. I risultati dimostrano che le superfici scivolose ha mostrato anti-bagnante per liquidi e un notevole effetto di anti-adesione sui tessuti molli ad alte temperature.

Abstract

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Superfici di anti-adesione con resistenza a temperatura elevata hanno un'ampia applicazione potenziale in pipeline, motori e strumenti elettrochirurgici. Una tipica superficie superidrofobiche anti-bagnante non riesce facilmente quando esposti ad un liquido ad alta temperatura. Recentemente, Nepenthes-superfici scivolose ispirate ha dimostrato un nuovo modo per risolvere il problema di adesione. Uno strato di lubrificante sulla superficie scivolosa può agire come una barriera tra i materiali respinti e la struttura della superficie. Tuttavia, le superfici scivolose in studi precedenti hanno mostrato raramente resistenza a temperatura elevata. Qui, descriviamo un protocollo per la preparazione di superfici scivolose con resistenza a temperatura elevata. Un metodo di fotolitografia-assistita è stato utilizzato per fabbricare strutture pilastro su acciaio inox. Di funzionalizzazione della superficie con soluzione fisiologica, una superficie scivolosa è stata preparata con l'aggiunta di olio di silicone. La superficie scivolosa preparata mantenuto la proprietà anti-bagnante per acqua, anche quando la superficie è stata riscaldata a 300 ° C. Inoltre, la superficie scivolosa esposte grandi effetti di anti-adesione sui tessuti molli ad alte temperature. Questo tipo di superficie scivolosa su acciaio inossidabile ha applicazioni in dispositivi medici, attrezzature meccaniche, ecc.

Introduzione

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Anti-adesione superfici ad alte temperature per l'uso con liquidi e tessuti molli hanno ricevuto un notevole interesse a causa della loro vasta applicazione potenziale in strumenti elettrochirurgici, motori, tubazioni ecc. 1 , 2 , 3 , 4. superfici biomimetiche, superfici particolarmente superidrofobi, sono considerati la scelta ideale per la loro eccellente anti-bagnabilità abilità e autopulente proprietà5. In superfici superidrofobiche, la capacità anti-bagnante dovrebbe essere attribuita all'aria bloccata nella struttura superficiale. Tuttavia, lo stato superidrofobiche è instabile, perché è in stato Cassie-Baxter6,7. Inoltre, alle alte temperature, la anti-bagnatura per le goccioline di liquide può fallire a causa della transizione di stato di bagnatura da Cassie-Baxter per il Wenzel statale8. Questa transizione di bagnatura è indotta da bagnante piccola goccia di liquido nelle strutture, che provoca il fallimento per bloccare l'aria in luogo.

Recentemente, ispirato dalle proprietà scivolosa della Periotomo della pianta pitcher, Nepenthes, Wong et al ha segnalato un concetto per la costruzione di superfici scivolose infondendo un lubrificante in strutture superficiali9,10 ,11. A causa della forza capillare, le strutture possono tenere saldamente il lubrificante in luogo, proprio come la tasca di aria bloccata su superfici superidrofobiche. Così, il lubrificante e strutture superficiali possono formare una superficie stabile solido/liquido. Quando il lubrificante ha un'affinità preferenziale per la struttura della superficie, la goccia di liquido sulla superficie del composito può scorrere facilmente, con solo un'isteresi di angolo di contatto molto bassa (ad es., ~ 2 °)12. Questo strato lubrificante consente inoltre la superficie di avere notevoli capacità anti-bagnante13, dimostrando grande potenziale per dispositivi medici14,15. Tuttavia, gli studi precedenti su superfici scivolose focalizzata principalmente sulla preparazione per l'applicazione a temperatura ambiente o basse temperature. Ci sono molto pochi studi sulla preparazione di superfici scivolose con resistenza a temperatura elevata. Ad esempio, Zhang et al hanno mostrato che la rapida evaporazione del lubrificante rapidamente provoca il fallimento della proprietà scivoloso anche leggermente alte temperature16.

Superfici scivolose con resistenza a temperatura elevata possono ampliare l'applicazione potenziale; ad esempio, essi utilizzabile come barriere di liquide per diminuire l'adesione dei tessuti molli a consigli strumento elettrochirurgico. Durante l'intervento chirurgico, adesione di tessuto morbido severo si verifica a causa della temperatura elevata delle punte strumento elettrochirurgico. I tessuti molli possono essere carbonizzati, facendolo aderire all'estremità dello strumento, che poi strappa i tessuti molli intorno il suggerimento17,18,19. Il tessuto molle aderito sulla punta dello strumento elettrochirurgico influenza negativamente il funzionamento ed inoltre può indurre il fallimento di emostasi19,20. Questi effetti danneggiano significativamente la salute delle persone e l'interesse economico. Di conseguenza, risolvendo il problema dell'adesione dei tessuti molli a strumenti elettrochirurgici è molto urgente. Infatti, superfici scivolose offrono l'opportunità di risolvere questo problema.

Qui, presentiamo un protocollo per realizzare superfici scivolose disponibile ad alte temperature. In acciaio inox è stato selezionato come il materiale di superficie a causa della sua resistenza a temperatura elevata. L'acciaio inossidabile è stato irruvidito da incisione chimica fotolitografia-assistita. Quindi, la superficie era funzionalizzata con un materiale biocompatibile, Salina octadecyltrichlorosilane (OTS)21,22,23,24. Una superficie scivolosa è stata preparata con l'aggiunta di olio di silicone. Questi materiali abilitato la superficie scivolosa per ottenere resistenza a temperatura elevata. La proprietà di anti-bagnante ad alte temperature e gli effetti di anti-adesione sui tessuti molli sono stati studiati. I risultati mostrano il potenziale uso di superfici scivolose per risolvere il problema di anti-adesione ad alte temperature.

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Protocollo

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1. fotolitografia su acciaio inox

  1. Strato di fotoresist utilizzando un software di disegno meccanico e fabbricare il design inviandolo a un photomask stampante4.
  2. Lavare l'acciaio inossidabile (316 SS; lengthx Larghezza: 4 cm x 4 cm, spessore: 1 mm) risciacquandolo in soluzioni alcaline (50 g/L di NaOH e 40 g/L Na2CO3) a temperatura ambiente per 15 minuti rimuovere i contaminanti di olio.
  3. Pulire accuratamente l'acciaio inossidabile eseguendo la pulizia ad ultrasuoni in una macchina di pulizia ultrasonica (frequenza di lavoro: 40 KHz, potenza ultrasonica: 500 W). Sciacquarlo in sequenza con acqua deionizzata, n-esano, acetone ed etanolo per 10 minuti ciascuno.
  4. Asciugare l'acciaio inossidabile collocandolo su un piatto caldo a 150 ° C per 30 min. proteggere l'acciaio inossidabile coprendolo con un foglio di alluminio (Al).
  5. Porre l'acciaio inossidabile al centro di una macchina a rotazione. Utilizzare un contagocce per depositare il photoresist positivo (circa 1 mL) in acciaio inossidabile, dal centro verso il bordo, fino a quando il photoresist copre completamente l'acciaio inossidabile. Evitare la formazione di bolle nel photoresist.
    1. Eseguire il rivestimento per rotazione, prima con una velocità di 700 giri/min per 6 s, per avviare la fase di centrifuga e quindi con una velocità di 1.500 giri/min per 15 s, per distribuire uniformemente il photoresist.
  6. Rilasciare la valvola del vuoto e recuperare l'acciaio inossidabile usando un paio di pinzette. Posizionare l'acciaio inossidabile su un piatto caldo a 120 ° C per 2 min a cuocere il photoresist.
  7. Posto l'acciaio inossidabile sulla valvola del vuoto di una macchina di fotolitografia. Impostare il tempo di esposizione della macchina fotolitografia a 25 s.
    Nota: Qui, la macchina di fotolitografia è un allineatore contatto con un'ultravioletto (UV) luce lunghezza d'onda di 254 nm e un'intensità di luce di 13 mW/cm2.
  8. Rilasciare l'acciaio inossidabile e posizionarlo nella soluzione di sviluppatore per 1 min rimuovere il photoresist senza esporla alla luce UV. Rimuovere l'acciaio inossidabile dalla soluzione sviluppatore, lavarlo con acqua deionizzata e asciugare sotto gas2 N.
  9. Posto l'acciaio inossidabile su una piastra calda per cuocere in forno a 120 ° C per 2 min.
  10. Utilizzare un microscopio dritto con un ingrandimento di 100 x per osservare la superficie dell'acciaio inossidabile per ispezionare la texture ottenuta photoresist.

2. chimica acquaforte in acciaio inox

  1. Preparare un composto chimico acquaforte soluzione con un volume di 200 mL (400 g/L di FeCl3, 20 g/L di acido fosforico e acido cloridrico 100 g/L) in un becher da 500 mL.
  2. Posto l'acciaio inossidabile con texture di photoresist nella soluzione chimica per 10 min. Non lasciare i pezzi in acciaio inox a contatto fra loro. Inserire un massimo di quattro pezzi in acciaio inox in una sola volta.
  3. Tolga l'acciaio inossidabile chimicamente inciso con una pinzetta, lavare i pezzi con acqua deionizzata per 1 min e asciugarle con gas2 N.
  4. Rimuovere la texture di photoresist immergendo l'acciaio inossidabile in acetone per lavaggio ad ultrasuoni per 5 min. Quindi, asciugare l'acciaio inossidabile chimicamente inciso con gas2 N.

3. OTS auto-assemblaggio su chimicamente incisi in acciaio inox

  1. Pulire l'acciaio inox chimicamente inciso con un flusso costante di acqua deionizzata, asciugarlo con gas2 N e posizionarlo su un piatto caldo a 100 ° C per 30 min di asciugare completamente la superficie.
  2. Idrossilare la chimicamente incisi in acciaio inox con un trattamento al plasma di2 O in una macchina al plasma RF, con una potenza RF di 100 W per 10 min, una pressione di 100 mbar e una portata di 20 sccm.
  3. Preparare soluzione 1 mM OTS in toluene anidro in un becher. Asciugare il becher accuratamente prima della preparazione della soluzione.
  4. Sciacquare l'acciaio inossidabile chimicamente inciso con la soluzione di OTS per 4 h a temperatura ambiente. Porre il becher in un sacchetto sigillato. Non lasciare i pezzi in acciaio inox a contatto fra loro.
  5. Rimuovere l'acciaio inossidabile, pulirlo con toluene anidro eseguendo la pulizia ad ultrasuoni per 10 minuti e asciugare con gas2 N.

4. preparazione della superficie scivoloso

  1. Depositare circa l'olio di silicone per 10ml/cm2 (viscosità: 350 cst; tensione superficiale: 21,1 mN/m) in acciaio rivestite con OTS, chimicamente inciso con un contagocce.
  2. Utilizzare uno stereomicroscopio ottico per osservare il processo di bagnatura dell'olio di silicone sulla superficie in acciaio inox (ingrandimento di 10x).
  3. Togliere l'olio di silicone in eccesso mettendo l'acciaio inossidabile in posizione verticale per 1 h.

5. indagine di acqua scorrevole comportamento su superfici scivolose

  1. Depositare una goccia d'acqua 4-µ l sulla superficie scivolosa. Posizionare l'acciaio inossidabile sotto un microscopio ottico e inclinare il substrato di ~ 2°.
  2. Visualizzare la gocciolina di acqua scorrevole sulla superficie scivolosa a basso ingrandimento (50x) per verificare che la superficie scivolosa ha la proprietà di scorrimento facile.

6. analisi degli anti-bagnante sulla superficie scivolosa ad alte temperature

  1. Posto l'acciaio inox con una superficie scivolosa su un piatto caldo con una pinzetta. Mettere la piastra calda a diverse temperature elevate (cioè, 200 ° C, 250 ° C e 300 ° C) per analizzare i comportamenti anti-bagnatura a diverse temperature.
    Nota: Non toccare direttamente l'acciaio inox ad alta temperatura con le mani.
  2. Utilizzare una micro-siringa per depositare una goccia di acqua di 10-µ l sulla superficie scivolosa.
    Nota: Prima di far cadere la goccia d'acqua, la temperatura della superficie scivolosa dovrebbe raggiungere l'equilibrio.
  3. Utilizzare una telecamera ad alta velocità per registrare il movimento di gocciolina di acqua ad un frame rate di 500 Hz.
    1. Fissare la fotocamera su un treppiede e diretto la lente della fotocamera verso l'acciaio inossidabile. Regolare la messa a fuoco della fotocamera per ottenere un'immagine di gocciolina di acqua limpida. Registrare il movimento della goccia d'acqua sulla superficie in acciaio inox premendo il pulsante di avvio della fotocamera. Premere il pulsante fine della fotocamera quando le diapositive di gocciolina di acqua fuori l'acciaio inox per completare la registrazione.

7. analisi degli effetti anti-adesione della superficie scivolosa sui tessuti molli

  1. Utilizzare un manipolatore, un dinamometro, un piatto caldo e un apparecchio fisso per impostare un'adesione forza misura piattaforma4, come mostrato in Figura 3a.
  2. Posto sulla superficie di prova sulla piastra calda. Utilizzare un morsetto per fissare l'acciaio inossidabile sulla piastra. Riscaldare la superficie di prova a una certa temperatura alta (ad es., 300 ° C).
    Nota: La superficie di prova deve contattare strettamente la piastra calda per garantire il trasporto efficiente di calore alla superficie scivolosa.
  3. Difficoltà il dinamometro per il manipolatore. Collegare una tabella di cilindro (diametro: 2 cm) con una testa di forza di agire come un tessuto molle piattaforma fissa.
  4. Difficoltà i tessuti molli (ad es., petto di pollo; lunghezza: 5 cm, Larghezza: 2 cm, spessore: 3 mm) sul tavolo cilindro con un filo sottile. Assicurarsi che la superficie dei tessuti molli è circa anche.
  5. Caricare i tessuti molli sulla superficie di prova ad una velocità di 1 mm/s fino a quando il dinamometro raggiunge una certa forza massima (ad es., 4.5 N) ruotando il pulsante di movimento del manipolatore. Quindi, scaricare i tessuti molli alla stessa velocità.
  6. Collegare un computer al banco dinamometrico utilizzando una linea di trasmissione dati e registrare la forza in tempo reale tra i tessuti molli e la superficie di prova.

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Risultati

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La superficie sdrucciolevole è stata preparata con l'aggiunta di olio di silicone di acciaio rivestite con OTS, chimicamente inciso. Grazie alle loro proprietà chimiche simili, la superficie era completamente bagnata dall'olio di silicone. Il processo di bagnatura è mostrato in Figura 1a. La linea rossa tratteggiata segna la linea di bagnatura. Dopo la bagnatura, uno strato di olio visibile potrebbe essere distinta dalla superficie asciutta. La proprietà sciv...

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Discussione

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Questo manoscritto i dettagli di protocolli per la realizzazione di una superficie scivolosa con resistenza a temperatura elevata. La proprietà scivolosa della nostra superficie preparata è stata dimostrata osservando il comportamento di facile scorrimento di una goccia d'acqua. Quindi, l'anti-bagnatura della superficie scivolosa preparata alle diverse temperature elevate è stata studiata mediante il deposito di una goccia d'acqua sulla superficie calda. I risultati mostrano che la superficie scivolosa preparata mantenut...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato sostenuto dal National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51290292) ed è stato anche sostenuto dalla Fondazione eccellenza accademica di BUAA per studenti di dottorato.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Acciaio inossidabileHongtu Corporation316Utilizzare come ricevuto
OctadeciltriclorosilanoHuaxia Reagente112-04-9Utilizzare come ricevuto
PhotoresistKempur Microelectronic Corporation317SUtilizzare come ricevuto
Olio di siliconeBeijing Chemical Works350 cstUtilizzare come ricevuto
Toluene anidroPechino Chemical Works108-88-3Utilizzare come ricevuto
Acido fosforico (H3PO4)Tianjin Chemical Corporation7664-38-2Utilizzare come ricevuto
Acido cloridrico (HCl)Tianjin Chemical Corporation7647-01-0Utilizzare come ricevuto
Ferric chloride (FeCl3)Tianjin Chemical Corporation7705-08-0Utilizzare come ricevuto
Microscopio ottico verticaleOlympusBX51
Stereomicroscopio otticoOlympusSZX16
Fotocamera ad alta velocitàOlympusi-SPEED LT
Pulitore ad ultrasuoniKUNSHAN ULTRASONIC INSTRUMENTS CO. LTDKQ-500E
DinamometroYueqing Handapi Instruments Co. LtdHP-5
ManipolatoreYueqing Handapi Instruments Co., LtdHLD
Piastra riscaldanteShenzhen Jingyihuang CorporationDRB-1

Riferimenti

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