CN103145346A - 一种改变光滑玻璃表面润湿性能的方法及其对玻璃微通道表面改性的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改变光滑玻璃基材表面润湿性能的方法及其在玻璃微通道表面改性中的应用。将三甲基氯硅烷溶于溶剂中配制成改性溶液，玻璃基材放于改性溶液中浸渍后进行烘干处理，即可对原有亲水性良好的表面进行疏水化改性。水滴在修饰后基材表面的接触角可达到90°～100°。采用此方法对普通的玻璃微通道进行改性后，随着微通道表面亲水性的减弱，去离子水的流动摩擦阻力降有所降低。相对于常用的镀膜改性的方法，本发明具有成本低、可操作性强以及改性效果稳定等优势。特别是针对玻璃微通道反应器等微小设备的表面润湿性能的改变具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对玻璃基材光滑表面进行改性以改变其表面润湿性能的方法，特别适用于生物医药、生命科学以及化工行业中的玻璃微通道反应器光滑表面的改性过程。
背景技术
润湿现象指液体能接触并附着在固体表面的现象。润湿性能指液体保持与固体表面接触的能力。润湿性是固体表面的重要特征之一，许多物理化学过程，如吸附、润滑、黏合和摩擦等，均与表面的润湿性密切相关。润湿现象在造纸业、新材料制备、生物芯片等工业生产中发挥着重要的作用，应用极其广泛，例如，矿物的泡沫浮选和洗涤、机械***中连接处的润滑、微流体器件中液体的可控输送、制造相片用感光乳剂的涂布等都与润湿性有着密切的联系。固体表面的润湿性通常用水滴在其表面上形成的接触角来衡量，接触角小于90°的表面称为亲水表面，此种表面的润湿性较强；大于90°的表面称为疏水表面，此种表面的润湿性较弱，液滴在表面上将以尽可能大的程度呈球状。
影响固体表面润湿性能的因素主要是表面粗糙度和表面能。目前，现有的固体表面改性方法均是源自对上述两个因素的控制：一方面可以通过化学位错刻蚀、光刻微加工、等离子体刻蚀或电镀氟化合成法在固体表面构筑微纳米粗糙结构，从而改变表面粗糙度来达到表面改性的目的；另一方面通过物理、化 学气相沉积，电化学以及表面镀膜等方法改变固体的表面能，以达到改变其润湿性能的目的。如中国发明专利申请CN1778749A公开了一种玻璃疏水镀膜液，可以在汽车玻璃表面形成一层透明憎水膜；中国发明专利申请CN1562842A与CN1267644A分别公开了采用磁控溅射法在玻璃表面镀不同材料亲水膜的方法来改变其润湿性能。
然而对于表面光滑的玻璃微通道反应器而言，由于其特征尺寸通常在几微米至几百微米级，若在其表面构造微纳结构的粗糙度改变其润湿性能，会引起其表面形貌的较大改变，对其内的流体流动产生的影响相对较大。而目前常用的玻璃表面改性的表面镀膜的方法也存在着镀膜厚度难以控制且对通道尺寸影响较大、工序较为复杂、质量较难保证等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种改变玻璃基材光滑表面润湿性能的简便方法。
三甲基氯硅烷是一种憎水性较强的硅卤键化合物(分子式为(CH3)3SiCl)，在乙醇、苯、***和过氯乙烯等有机溶剂中有良好的溶解性。本发明的技术方案如下：三甲基氯硅烷作为溶质，乙醇为溶剂，配制质量浓度为10～100wt％的改性溶液，将玻璃基材放入改性溶液中浸渍至少10分钟，取出后在80℃～120℃条件下进行干燥处理。
未改性的光滑玻璃基材表面具有良好的亲水性，水滴在该基材表面的静态接触角为35°左右，如附图1所示。按照本发明的方法对光滑玻璃基材表面进行修饰后，水滴在修饰后基材表面的接触角可达到90°～100°，如附图2所示，此时该表面为疏水表面。从改性机理来说，本发明选择通过使用低表面能的物质对玻璃基材表面修饰，从而达到改变该基材表面润湿性能的目的，且本方法 的改性效果具有较好的稳定性以及改性效果的持久性。
本发明还提供了将上述表面浸润性改性方法在玻璃微通道反应器中的应用。将深100微米、宽200微米、混合区长度为3cm的T型玻璃微通道(如附图3所示)，置于适宜浓度的三甲基氯硅烷乙醇溶液中，静置一定时间后取出并干燥。通过上述方法改性后，玻璃通道的摩擦阻力降与改性前相比明显降低，这正是通道表面改性后疏水性能增强而造成的。
与目前改变固体表面润湿性所广泛使用的镀膜法相比，本发明所提供的改性方法简便易行、成本低、可操作性强，针对化工、生物医药等行业中的由普通玻璃基材制成的微反应器表面浸润性的调控具有良好的应用效果。
附图说明
图1为改性处理前水滴在光滑玻璃基材表面的接触角；
图2为采用本发明提出的方法进行改性处理后水滴在光滑玻璃基材表面的接触角；
图3为T型玻璃微通道示意图。
具体实施方式
本发明的目的和优点可以通过以下的实施例做进一步说明，但这些实施例中的具体实施条件和细节都不应被解释为对本发明不适当的限制。
实施例1-6
实施例1-6为光滑玻璃基材在不同浓度的改性液中浸渍120分钟，在80℃条件下进行干燥后表面浸润性情况。使用接触角仪对各例中改性表面与水的静 态接触角测试结果公布于表1中(如下)。
表1
| 改性液浓度(％wt) | 静态接触角(°) | |
| 实施例1 | 10 | 50.16 |
| 实施例2 | 20 | 63.77 |
| 实施例3 | 50 | 78.58 |
| 实施例4 | 70 | 86.34 |
| 实施例5 | 80 | 94.04 |
| 实施例6 | 100 | 94.88 |
实施例7-11
实施例7-11为光滑玻璃基材在80wt％改性液中浸渍不同时间，80℃条件下进行烘干后表面浸润性情况。使用接触角仪对各例中改性表面与水的静态接触角测试结果公布于表2中(如下)。
表2
| 浸泡时间(min) | 静态接触角(°) | |
| 实施例7 | 5 | 76.16 |
| 实施例8 | 10 | 79.40 |
| 实施例9 | 30 | 81.39 |
| 实施例10 | 60 | 88.85 |
| 实施例5 | 120 | 94.04 |
| 实施例11 | 180 | 94.31 |
[0022]
实施例12-16
实施例12-16为光滑玻璃基材在80wt％改性液中浸渍120分钟，取出后在不同温度条件下进行烘干后表面浸润性情况。使用接触角仪对各例中改性表面与水的静态接触角测试结果公布于表3中(如下)。
表3
| 烘干温度(℃) | 静态接触角(°) | |
| 实施例12 | 40 | 81.14 |
| 实施例13 | 50 | 84.14 |
| 实施例14 | 60 | 88.21 |
| 实施例5 | 80 | 94.04 |
| 实施例15 | 100 | 94.25 |
| 实施例16 | 120 | 94.39 |
实施例17
实施例17为采用实施例5所述表面改性方法对玻璃微通道进行表面改性前后，通道内去离子水流动摩擦阻力降的变化情况。改性前后同一通道内去离子水流动的摩擦阻力降测量值公布于表4中(如下)：
表4
Claims (5)
1.一种对表面光滑玻璃基材进行表面修饰来改变该基材表面润湿性能的方法，包含配制溶质为三甲基氯硅烷，溶剂为乙醇，溶质质量分数不低于10％的改性溶液，将玻璃基材放入改性溶液中浸渍30分钟以上，取出后将基材置于80-120℃下进行干燥处理。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：改性溶液中溶质的质量分数为70％-100％。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：基材在改性溶液中的浸渍时间为60-180分钟。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：干燥处理时温度为80℃-100℃。
5.将权利要求1中所述的方法应用于降低玻璃微通道反应器内液相流体流动的摩擦阻力降过程中。
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