Методическая статья

Подготовка и высокой температуры антиадгезионное поведение скользкой поверхности из нержавеющей стали

DOI:

10.3791/55888

⸱

29 марта 2018 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Скользкой поверхности обеспечивают новый способ решить проблему сцепления. Этот протокол описывает как изготовить скользкой поверхности при высоких температурах. Результаты показывают, что скользкой поверхности показали анти смачивания для жидкостей и замечательным Антиадгезионное действие на мягких тканей при высоких температурах.

Аннотация

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

Антиадгезионное поверхностей с высокой термостойкостью имеют широкое применение потенциал электрохирургическое инструментов, двигатели и трубопроводов. Типичная анти смачивания superhydrophobic поверхности легко завершается воздействию высокой температуры жидкости. Недавно, Nepenthes-вдохновил скользкой поверхности продемонстрировал новый способ решить проблему сцепления. Слой смазки на скользкой поверхности может выступать в качестве барьера между отразили материалы и поверхности структуры. Однако скользких поверхностях в предыдущих исследованиях редко проявляли высокой термостойкостью. Здесь мы описываем протокол для подготовки скользкой поверхности с высокой термостойкостью. При содействии фотолитографии метод был использован для изготовления столба конструкции из нержавеющей стали. По functionalizing поверхности с солевой раствор, поверхность скользкая был подготовлен путем добавления силиконового масла. Подготовленную поверхность скользкая поддерживается свойство анти смачивания водой, даже тогда, когда поверхность нагревается до 300 ° C. Кроме того скользкой поверхности выставлены большие антиадгезионное эффекты на мягких тканей при высоких температурах. Этот тип скользкой поверхности из нержавеющей стали имеет применения в медицинских приборов, механическое оборудование и т.д.

Введение

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

Антиадгезионное поверхностей при высоких температурах для использования с жидкостями и мягких тканей получили значительный интерес из-за их широкое применение потенциал электрохирургическое инструментов, машин, трубопроводов и т.д. 1 , 2 , 3 , 4. Bioinspired поверхности, особенно superhydrophobic поверхностей, считаются идеальным выбором из-за их отличные способности анти смачивания и самоочищающиеся свойства5. В superhydrophobic поверхностей, анти смачивающая способность следует отнести на счет заблокирован воздухе в структуре поверхности. Однако состояние superhydrophobic неустойчива, потому что это в Cassie-Бакстера государства6,7. Кроме того при высоких температурах, анти смачивания для жидких капель может завершиться ошибкой смачивания государства переход от Cassie-Бакстера Венцель государства8. Этот переход смачивания индуцируется смачивания малых жидких капель в структурах, что приводит к неспособности заблокировать воздух в месте.

Недавно Вдохновленный скользкой свойства peritome кувшин завод, Непентес, Wong et al. сообщили концепции построить скользкой поверхности, вливая смазки в поверхностных структур9,10 ,11. За счет капиллярных сил структуры можно твердо держать смазки в месте, как в заблокированной воздушный карман на superhydrophobic поверхностей. Таким образом смазки и поверхностные структуры могут сформировать устойчивую поверхность твердых/жидких. Когда смазка имеет преференциальный сродство для поверхности структуры, жидкие капли на поверхности композитного может скользить легко, с только очень низкий угол контакта гистерезиса (например, ~ 2 °)12. Этот слой смазки также позволяет поверхности имеют замечательные возможности анти смачивания13, демонстрируя большой потенциал для медицинских приборов14,15. Однако предыдущие исследования на скользких поверхностях главным образом на подготовку для применения при комнатной температуре или низкой температуры. Существует очень мало исследований по подготовке скользкой поверхности с высокой термостойкостью. К примеру Zhang et al. показал, что быстрое испарение масла быстро сбой свойство скользкой даже слегка высокой температуры16.

Скользкой поверхности с высоким температурам можно расширить применение потенциал; Например они может использоваться как жидкий барьеры для уменьшения мягких тканей адгезии к электрохирургического инструмента подсказки. Во время хирургической операции сцепления тяжелых мягких тканей происходит из-за высокой температуры электрохирургического инструмента подсказки. Можно обугленные мягких тканей, вызывая его придерживаться кончик инструмента, который затем разрывы мягких тканей вокруг кончика17,18,19. Приклеенная мягких тканей на кончик электрохирургического инструмента отрицательно влияет на операции и также может вызвать отказ гемостаз19,20. Эти эффекты значительно вреда здоровья людей и экономических интересов. Таким образом решения вопроса о мягких тканей адгезии к электрохирургическое инструментов является очень актуальной. В самом деле скользкой поверхности дают возможность решить эту проблему.

Здесь мы представляем протокол для изготовления скользкой поверхности доступны при высоких температурах. Нержавеющая сталь была выбрана в качестве поверхностного материала из-за своей высокой температуры сопротивления. Нержавеющая сталь была шероховатой путем при содействии фотолитографии химического травления. Затем поверхность была функционализированных биосовместимым материалом, физиологический октадецилтрихлорсилана (OTS)21,,2223,24. Скользкой поверхности был подготовлен путем добавления силиконового масла. Эти материалы позволили скользкой поверхности для достижения высокой термостойкостью. Были исследованы анти смачивания свойства при высоких температурах и антиадгезионное воздействия на мягкие ткани. Результаты показывают, потенциал использования скользкой поверхности для решения проблемы антиадгезионное при высоких температурах.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. фотолитография на нержавеющей стали

  1. Дизайн с использованием программного обеспечения чертеж photomask и изготовить дизайн, представив его на photomask принтера4.
  2. Мойка из нержавеющей стали (316 SS; lengthx ширина: 4 см х 4 см, толщина: 1 мм), промыв его в щелочных растворах (50 г/Л NaOH и 40 г/Л Na2CO3) при комнатной температуре в течение 15 мин для удаления нефтяных загрязнений.
  3. Тщательно очистить из нержавеющей стали, выполняя ультразвуковая очистка в ультразвуковой чистки машины (Рабочая частота: 40 кГц, ультразвуковой мощность: 500 Вт). Промойте его последовательно с деионизированная вода, н гексан, ацетон и этанола за 10 мин.
  4. Сухие, поместив его на горячей плите при 150 ° C для 30 min. защитить из нержавеющей стали, покрывая его с листа алюминия (Al) фольги из нержавеющей стали.
  5. Место из нержавеющей стали на центре coater спина. Используйте капельницы для внесения позитивного фоторезиста (около 1 мл) на нержавеющей стали, от центра к краю, пока фоторезиста полностью покрывает из нержавеющей стали. Избегайте образования пузыря в фоторезиста.
    1. Выполняют спин покрытие, сначала с скоростью 700 об/мин 6 сек, чтобы начать цикл отжима и затем со скоростью 1500 об/мин для 15 s, чтобы равномерно фоторезиста.
  6. Освободить клапан вакуума и извлекать из нержавеющей стали, используя пинцет. Место из нержавеющей стали на горячей плите при 120 ° С 2 мин испечь фоторезиста.
  7. Место из нержавеющей стали на вакуумный клапан фотолитографии машины. Установите время экспозиции фотолитографии машины 25 s.
    Примечание: Здесь, машина фотолитографии является контакт выравниватель с ультрафиолетового (УФ) света длиной волны 254 Нм и интенсивность света 13 МВт/см2.
  8. Выпуск из нержавеющей стали и поместите его в разработчик решения за 1 мин для удаления фоторезиста не подвергая его к ультрафиолету. Удалите из нержавеющей стали из разработчик решения, промойте деионизованной водой и высушить под N2 газ.
  9. Место из нержавеющей стали на горячей плите испечь на 120 ° C на 2 мин.
  10. Используйте вертикально микроскоп с увеличением 100 x соблюдать поверхности из нержавеющей стали для проверки полученных фоторезиста текстуры.

2. Химическое травление нержавеющей стали

  1. Подготовьте химического травления решение с объемом 200 мл (400 г/Л FeCl3, фосфорная кислота 20 г/Л и 100 г/Л соляной кислоты) в 500 мл стакан.
  2. Место из нержавеющей стали с текстурой фоторезиста химического раствора на 10 мин. Не позволяйте части из нержавеющей стали, чтобы связаться друг с другом. Одно время место максимум четырех частей из нержавеющей стали.
  3. Возьмите из химически травления нержавеющей стали, с помощью пинцета, промыть куски с дейонизированной водой за 1 мин и высушите их с газом N2 .
  4. Удаления фоторезиста текстуры, погрузив нержавеющей стали в ацетон для ультразвуковой очистки за 5 мин. Затем сухие химически травления нержавеющей стали с газом N2 .

3. ОТС самосборки на химически травления нержавеющей стали

  1. Химически травления нержавеющей стали с устойчивый поток деионизированной воды, очистить высушить его с N2 газ и поместите его на горячей плите при 100 ° C за 30 мин до полностью высушите поверхность.
  2. Hydroxylate химически травления нержавеющей стали с O2 Плазменная обработка в машина плазменной RF, RF мощностью 100 Вт для 10 мин, давление системы 100 мбар и скорость потока 20 sccm.
  3. Готовят раствор 1 мм OTS в безводный толуола в стакан. Сухой стакан тщательно перед приготовления раствора.
  4. Промойте химически травления нержавеющей стали с OTS решение для 4 ч при комнатной температуре. Поместите стакан в запечатанном мешке. Не позволяйте части из нержавеющей стали, чтобы связаться друг с другом.
  5. Удалите из нержавеющей стали, очистить его с безводный толуола, выполняя ультразвуковой очистки за 10 мин и высушить его с газом N2 .

4. Подготовка скользкой поверхности

  1. Депозит приблизительно 10 мл/см2 силиконовое масло (вязкость: 350 КНТ; поверхностного натяжения: 21.1 МН/м) на OTS-покрытием, химически травления нержавеющей стали, с помощью капельницы.
  2. Используйте оптический стереомикроскопом наблюдать процесс увлажнения силиконового масла на поверхности из нержавеющей стали (увеличение 10 x).
  3. Удалите избыток силиконовое масло, поместив нержавеющей стали в вертикальном положении на 1 ч.

5. исследование воды, раздвижные поведение на скользкой поверхности

  1. Депозит капли воды 4-мкл на скользкой поверхности. Место из нержавеющей стали под оптический микроскоп и наклона подложки на ~ 2°.
  2. Визуализируйте капли воды, скольжения на скользкой поверхности на малое увеличение (50 x) чтобы проверить, что скользкую поверхность имеет свойство легко скольжения.

6. анализ анти смачивающие на скользкой поверхности при высоких температурах

  1. Место из нержавеющей стали с скользкой поверхности на горячей плите с помощью пинцета. Установите поджарки при разных высоких температурах (т.е., 200 ° C, 250 ° C и 300 ° C) для анализа анти смачивания поведения при разных температурах.
    Примечание: Не прикасайтесь непосредственно высокой температуры из нержавеющей стали с руками.
  2. Использование микро шприц внести капельку воды 10-мкл на скользкой поверхности.
    Примечание: Перед удалением капли воды, температура скользкой поверхности должны достичь равновесия.
  3. Используйте Высокоскоростные камеры для записи движения капельки воды на частоту 500 Гц.
    1. Исправить камеру на штатив и направлять объектив камеры к нержавеющей стали. Отрегулируйте фокус камеры для получения изображения капли прозрачной водой. Запись движения капли воды на поверхности из нержавеющей стали, нажав кнопку Пуск камеры. Нажмите кнопку камеры когда слайды капли воды из нержавеющей стали для завершения записи.

7. анализ последствий антиадгезионное скользкой поверхности на мягких тканей

  1. Использовать манипулятор, динамометр, плита и стационарных крепеж для установки прилипания измерения платформы4, как показано на рис 3А.
  2. Место поверхности тест на горячей плите. Используйте зажим для исправления из нержавеющей стали на плите. Нагреть поверхность теста до высокой температуры (например, 300 ° C).
    Примечание: Тест поверхности тесно следует связаться плитой для обеспечения эффективного тепло транспорта на скользкой поверхности.
  3. Исправьте динамометра с манипулятором. Подключите таблицы цилиндра (диаметр: 2 см) с головой сил действовать в качестве мягких тканей фиксированной платформе.
  4. Исправить мягких тканей (например, куриная грудка; Длина: 5 cm, ширина: 2 см, толщина: 3 мм) на таблице цилиндра с помощью тонкой проволоки. Убедитесь, что поверхности мягкие ткани составляет примерно даже.
  5. Загрузите мягких тканей на поверхность теста со скоростью 1 мм/сек, до тех пор, пока динамометра достигает определенной максимальной силе (например, 4.5 N), повернув кнопку движения манипулятора. Затем выгрузите мягких тканей с одинаковой скоростью.
  6. Подключите компьютер к динамометрического стенда с использованием линии передачи данных и запись в реальном времени силы между мягких тканей и испытательной поверхности.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Скользкая поверхность был подготовлен путем добавления силиконового масла OTS-покрытием, химически травления нержавеющей стали. Из-за их похожих химических свойств поверхность была полностью смоченных силиконовое масло. Смачивание процесс показан на рисунке 1a. Смачивание строка помечается красной пунктирной линией. После смачивания, слой видимым нефти могут быть отделены от сухой поверхности. Свойство скользкой подготовленной скользкой поверхности исследовал...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Эта рукопись детали протоколов для изготовления скользкой поверхности с высокой термостойкостью. Скользкая свойства наших подготовленную поверхность была продемонстрирована, наблюдая поведение легко скользящие капли воды. Затем, анти смачивания подготовленной скользкой поверхности на разных высоких температурах изучался путем нанесения капли воды на горячие поверхности. Результаты показывают, что подготовленный скользкой поверхности сохранить его скользкой свойства даже тогда, когда он был нагрет к выше 300 ° C. Мы также...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана Фонд национального естественных наук Китая (Грант № 51290292) и было также поддержано академического совершенства фонд ПУАК для аспирантов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Нержавеющая стальHongtu Corporation316Использование в полученном
виде OctadecyltrichlorosilaneHuaxia Reagent112-04-9Использование в полученном
виде Фоторезист KempurMicroelectronic Corporation317SИспользование в полученном
виде Силиконовое маслоBeijing Chemical Works350 cstИспользование в качестве
полученного безводного толуолаBeijing Chemical Works108-88-3Использование в качестве полученной
фосфорной кислоты (H3PO4)Tianjin Chemical Corporation7664-38-2Использование в качестве полученной
соляной кислоты (HCl)Тяньцзиньская химическая корпорация7647-01-0Использовать как получено
Ferric chloride (FeCl3)Tianjin Chemical Corporation7705-08-0Использовать как получено.
Оптический вертикальный микроскопOlympusBX51
Оптический стереомикроскопOlympusSZX16
Высокоскоростная камераOlympusi-SPEED LT
Ультразвуковой очистительKUNSHAN ULTRASONIC INSTRUMENTS CO. LTDKQ-500E
ДинамометрYueqing Handapi Instruments Co. LtdHP-5
МанипуляторYueqing Handapi Instruments Co. LtdHLD
Горячая плитаШэньчжэнь Цзинъихуан КорпорацияDRB-1

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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 (2013).
  3. Daniel, D., Mankin, M. N., Belisle, R. A., Wong, T. -S., Aizenberg, J. Lubricant-infused micro/nano-structured surfaces with tunable dynamic omniphobicity at high temperatures. Appl Phys. Lett. 102 (23), 231603(2013).
  4. Zhang, P., Chen, H., Zhang, L., Zhang, D. Anti-adhesion effects of liquid-infused textured surfaces on high-temperature stainless steel for soft tissue. Appl Surf Sci. 385, 249-256 (2016).
  5. Barthlott, W., Neinhuis, C. Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces. Planata. 202 (1), 1-8 (1997).
  6. Feng, L., et al. Super-hydrophobic surfaces: from natural to artificial. Adv Mater. 14 (24), 1857-1860 (2002).
  7. Li, X. M., Reinhoudt, D., Crego-Calama, M. What do we need for a superhydrophobic surface? A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces. Chem Soc Rev. 36 (8), 1350-1368 (2007).
  8. Roach, P., Shirtcliffe, N. J., Newton, M. I. Progess in superhydrophobic surface development. Soft Matter. 4, 224-240 (2008).
  9. Park, K. C., et al. Condensation on slippery asymmetric bumps. Nature. 531 (7592), 78-82 (2016).
  10. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
  11. Chen, H., et al. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature. 532 (7597), 85-89 (2016).
  12. Zhang, P., Chen, H., Zhang, L., Ran, T., Zhang, D. Transparent self-cleaning lubricant-infused surfaces made with large-area breath figure patterns. Appl Surf Sci. 355, 1083-1090 (2015).
  13. Lafuma, A., Quéré, D. Slippery pre-suffused surfaces. EPL. 96, 56001(2011).
  14. Epstein, A. K., et al. Liquid-infused structured surfaces with exceptional anti-biofouling performance. P Natl Acad Sci USA. 109 (33), 13182-13187 (2012).
  15. MacCallum, N., et al. Liquid-infused silicone as a biofouling-free medical material. ACS Biomater Sci Eng. 1, 43-51 (2015).
  16. Zhang, J., Wu, L., Li, B., Li, L., Seeger, S., Wang, A. Evaporation-induced transition from Nepenthes pitcher-inspired slippery surfaces to lotus leaf-inspired superoleophobic surfaces. Langmuir. 30 (47), 14292-14299 (2014).
  17. Sutton, P. A., Awad, S., Perkins, A. C., Lobo, D. N. Comparison of lateral thermal spread using monopolar and bipolar diathermy the Harmonic Scalpel™ and the Ligasure™. Brit J Surg. 97 (3), 428-433 (2010).
  18. Koch, C., Friedrich, T., Metternich, F., Tannapfel, A., Reimann, H. P., Eichfeld, U. Determination of temperature elevation in tissue during the application of the harmonic scalpel. Ultrasound Med Biol. 29 (2), 301-309 (2003).
  19. Sinha, U. K., Gallagher, L. A. Effects of steel scalpel, ultrasonic scalpel, CO2 laser, and monopolar and bipolar electrosurgery on wound healing in guinea pig oral mucosa. Laryngoscope. 113 (2), 228-236 (2003).
  20. Lee, J. H., Go, A. K., Oh, S. H., Lee, K. E., Yuk, S. H. Tissue anti-adhesion potential of ibuprofen-loaded PLLA-PEG diblock copolymer films. Biomaterials. 26 (6), 671-678 (2005).
  21. Ding, J. N., Wong, P. L., Yang, J. C. Friction and fracture properties of polysilicon coated with self-assembled monolayers. Wear. 260 (1-2), 209-214 (2006).
  22. Kulkarni, S. A., Mirji, S. A., Mandale, A. B., Vijayamohanan, K. P. In vitro stability study of organosilane self-assemble monolayers and multilayers. Thin Solid Films. 496, 420-425 (2006).
  23. Meth, S., Savchenko, N., Viva, F. A., Starosvetsky, D., Groysman, A., Sukenik, C. N. Siloxane-based thin films for corrosion protection of stainless steel in chloride media. J Appl Electrochem. 41 (8), 885-890 (2011).
  24. Zhang, P., Chen, H., Zhang, L., Zhang, Y., Zhang, D., Jiang, L. Stable slippery liquid-infused anti-wetting surface at high temperatures. J Mater Chem A. 4 (31), 12212-12220 (2016).
  25. Smith, J. D., et al. Droplet mobility on lubricant-impregnated surfaces. Soft Matter. 9 (6), 1772-1780 (2013).
  26. Tran, T., Staat, H. J. J., Prosperetti, A., Sun, C., Lohse, D. Drop impact on superheated surfaces. Phys Rev Lett. 108 (3), 036101(2012).
  27. Donzelli, J., Leonetti, J. P., Wurster, R. D., Lee, J. M., Young, M. R. I. Neuroprotection due to irrigation during bipolar cautery. Arch Otolaryngol. 126 (2), 149-153 (2000).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи