CN103320832B

CN103320832B - 阳极氧化构筑浸润性梯度表面的方法

Info

Publication number: CN103320832B
Application number: CN201310254617.1A
Authority: CN
Inventors: 冯诗乐; 侯永平
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: CN103320832A

Abstract

本发明公开了一种阳极氧化构筑浸润性梯度表面的方法，属于界面化学技术领域。本发明通过电解液的制备和目标样品表面处理，采用直流稳压稳流电源对目标样品进行阳极氧化处理，阳极氧化过程中，调整阳极与阴极的相对位置，使阳极上不同位置到阴极的距离不同，从而使得目标样品不同位置电流密度不同，再控制电流强度和阳极氧化时间，得到最佳梯度表面。本发明可对梯度的大小进行控制，实现液滴的单向铺展和自驱动。可以实现一维浸润性梯度、二维浸润性梯度和一些特殊形式的浸润性梯度表面。可应用于各种碳材料基体，应用比较广泛。操作简单，周期短，成本低，可用于大规模生产。

Description

阳极氧化构筑浸润性梯度表面的方法

技术领域

本发明属于界面化学技术领域，涉及通过阳极氧化来制备浸润性梯度表面，所制备的浸润性梯度表面能够实现液滴的单向铺展和自驱动，并可进一步在其表面的梯度基团上接枝响应性分子，实现表面化学梯度和外部刺激梯度的协同作用，进一步增加自驱动的程度。

背景技术

研究发现，梯度表面能够实现液滴的单向铺展和定向驱动，在诊断学、微流体学、流体发电、强化传热等领域有着广泛的应用。目前主要通过表面结构和化学组成来实现表面梯度，但是，许多方法操作复杂，耗时费力，工作量大且效率不高，效果不佳，无法在短时间内进行大规模的制备想要的产品。近年来，一些文献提到了通过控制表面粗糙度和化学组成的方法来构筑浸润性梯度表面。如Kuang-HanChu等(Kuang-HanChu,RongXiaoandEvelynN.Wang.NatureMaterials,2010,9,413-417)通过投影光刻技术，用反应离子深度侵蚀硅片得到柱状纳米突起，然后镀金，使纳米柱状突起因残余应力而偏转，进而得到不对称的纳米结构，但该方法操作困难，很难控制离子侵蚀的程度和纳米柱状突起的偏转程度，也无法控制基体表面梯度的大小，不具有重复性，很难大规模、高精度的生产。KunihiroIchimura(KunihiroIchimura,*Sang-KeunOh,MasaruNakagawa.Science,2000,1624)把洁净的硅片放入偶氮苯稀溶液中，使其表面均匀涂覆偶氮苯分子，利用偶氮苯分子在光照条件下的光学异构现象，通过光强梯度来实现梯度表面，但是偶氮苯分子涂层的厚度和光强度的变化均难以控制。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明采用阳极氧化法在基体表面构筑浸润性梯度表面，目的在于用一种简单方便的方法来实现基体表面浸润性梯度表面的构筑，且能够对浸润性梯度的大小进行控制。

本发明提供的阳极氧化构筑浸润性梯度表面的方法，包括如下步骤：

第一步，电解液的制备：

制备浓度为0.05-0.2mol/L的氢氧化钠溶液。

第二步，目标样品表面处理：

对目标样品进行表面处理，打磨抛光，去除其表面的有机物，然后用去离子水冲洗干净，烘干待用。

第三步，获取目标表面：

采用直流稳压稳流电源对目标样品进行阳极氧化处理，阳极为表面处理过的目标样品，阴极为惰性的铂电极。阳极氧化过程中，调整阳极与阴极的相对位置，使阳极上不同位置到阴极的距离不同，从而使得目标样品不同位置电流密度不同，再控制电流强度和阳极氧化时间，导致氧化程度不同，从而得到最佳梯度表面。

本发明的优点在于：

1、本发明提供的阳极氧化法构筑浸润性梯度表面的方法，可对梯度的大小进行控制，实现液滴的单向铺展和自驱动，并可进一步在其表面的梯度基团上接枝响应性分子，实现表面化学梯度和外部刺激梯度的协同作用，进一步增加自驱动的程度。

2、本发明提供的阳极氧化法构筑浸润性梯度表面的方法，可以实现一维浸润性梯度、二维浸润性梯度和一些特殊形式的浸润性梯度表面。

3、本发明提供的阳极氧化法构筑浸润性梯度表面的方法，可应用于各种碳材料基体，应用比较广泛。

4、本发明提供的阳极氧化法构筑浸润性梯度表面的方法，操作简单，周期短，成本低，可用于大规模生产。

附图说明

图1A为阳极氧化构筑一侧浸润性较大，而另一侧浸润性小的一维梯度表面装置示意图；

图1B为一侧浸润性较大，而另一侧浸润性小的一维梯度表面上接触角与位置的关系；

图2A为阳极氧化构筑中间浸润性较大，而两边浸润性较小的一维梯度表面装置示意图；

图2B为中间浸润性较大，而两边浸润性较小的一维梯度表面上接触角与位置的关系；

图3A为阳极氧化构筑两边浸润性较大，而中间浸润性较小的一维梯度表面装置示意图；

图3B为两边浸润性较大，而中间浸润性较小的一维梯度表面上接触角与位置的关系；

图4A为阳极氧化构筑二维浸润性表面装置示意图；

图4B为二维梯度表面上接触角与位置的关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供的构筑浸润性梯度表面的方法，通过如下步骤实现：

第一步，电解液的制备：

制备浓度为0.05-0.2mol/L的氢氧化钠溶液作为电解液。

第二步，目标样品表面处理：

对目标样品进行表面处理，去除其表面的有机物，然后用去离子水冲洗干净，烘干待用。

第三步，制备梯度表面：

采用直流稳压稳流电源对目标样品进行阳极氧化处理，阳极为目标样品，阴极为惰性的铂电极，调整阳极与阴极的相对位置，目的是为了使阳极上不同位置到阴极的距离不同，从而使得在阳极氧化过程中，目标样品不同位置电流密度不同，再控制电流强度和阳极氧化时间，导致目标样品不同位置的氧化程度不同，从而得到最佳梯度表面。

利用本发明提出的构筑浸润性梯度表面的方法制备得到的梯度表面的表面能呈梯度变化，可以实现液滴在其上的单向铺展和液滴的驱动。

通过上述方法制浸润性梯度表面，可以具有各种不同的特殊结构。进而实现各种不同的性能要求。下面通过实施例对各种特殊结构的浸润性梯度表面的制备方法和进行具体说明：

实施例1：

本实施例提供阳极氧化构筑一维浸润性梯度表面的方法，其中目标样品为碳纤维板，具体的阳极氧化过程包括以下几个步骤：

第一步，电解液的制备：

制备浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液作为电解液。

第二步，目标样品表面处理：

对碳纤维板表面进行抛光处理，去除其表面的有机物，然后用去离子水冲洗干净，烘干待用。

第三步，制备梯度表面：

采用直流稳压稳流电源对目标样品进行阳极氧化处理，阳极为目标样品，阴极为惰性的铂电极，调整阳极与阴极的相对位置，使阴极距离阳极底部2mm，具体装置如图1A所示，阴极铂电极为薄片结构，试验时紧贴电解质溶液的容器底面，阳极的目标样品为碳纤维板，并且碳纤维板所在平面垂直于容器底面，这样，阳极下部与阴极共面，因此距离阴极较近，阳极上部距离阴极较远，从而使得在阳极氧化过程中，目标样品下部电流密度较大，上部电流密度较小，再控制电流强度从0.1A到0.5A变化，阳极氧化时间分别设置为0min、2min、5min、10min、20min，选出最佳梯度表面。试验结果显示，距离阴极较近的目标样品表面的接触角较大，距离越远，电流密度相对越小，接触角越小。

实施例2：

第一步，电解液的制备：

制备浓度为0.2mol/L的氢氧化钠溶液作为电解液。

第二步，目标样品表面处理：

第三步，制备梯度表面：

采用直流稳压稳流电源对目标样品进行阳极氧化处理，阳极为目标样品，阴极为惰性的铂电极，调整阳极与阴极的相对位置，使阴极距离阳极底部5mm，具体装置如图1A所示，铂电极平面与碳纤维板平面垂直，阳极下部距离阴极较近，上部距离阴极较远，从而使得在阳极氧化过程中，目标样品下部电流密度较大，上部电流密度较小，再控制电流强度从0.1A到0.5A变化，阳极氧化时间从0min到20min变化，阳极氧化结果曲线如图1B所示，得到接触角在115°～35°范围内均匀变化的梯度表面。

实施例3：

第一步，电解液的制备：

制备浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液。

第二步，目标样品表面处理：

第三步，制备梯度表面：

采用直流稳压稳流电源对目标样品进行阳极氧化处理，阳极为目标样品，阴极为惰性的铂电极，调整阳极与阴极的相对位置，使阴极距离阳极底部8mm，具体装置如图1A所示，目的是为了使阳极下部距离阴极较近，上部距离阴极较远，从而使得在阳极氧化过程中，目标样品下部电流密度较大，上部电流密度较小，再控制电流强度从0.1A到0.5A变化，阳极氧化时间从0min到20min变化，得到纤维板长度方向均匀变化的梯度表面。

实施例4：

本实施例提供阳极氧化构筑中间浸润性较大，而两边浸润性较小的一维浸润性梯度表面的方法，其中目标样品为碳纤维板，具体的阳极氧化过程包括以下几个步骤：

第一步，电解液的制备：

制备浓度为0.2mol/L的氢氧化钠溶液。

第二步，目标样品表面处理：

第三步，制备梯度表面：

采用直流稳压稳流电源对目标样品进行阳极氧化处理，阳极为目标样品，阴极为惰性的铂电极，调整阳极与阴极的相对位置，使阴极表面垂直于阳极平面，阴极距离阳极中部垂直距离约5mm，具体装置如图2A所示，目的是为了使阳极中部距离阴极最近，而两端距离阴极最远，从而使得在阳极氧化过程中，目标样品中部电流密度较大，两端电流密度较小，再控制电流强度从0.1A到0.5A变化，阳极氧化时间从0min到20min变化，实验结果如图2B所示，在纤维板表面形成从两边到中间的接触角逐渐增大的梯度表面，接触角变化范围为5°～40°。

实施例5：

本实施例提供阳极氧化构筑两边浸润性较大，而中间浸润性较小的一维浸润性梯度表面的方法，其中目标样品为碳纤维板，具体的阳极氧化过程包括以下几个步骤：

第一步，电解液的制备：

制备浓度为0.2mol/L的氢氧化钠溶液。

第二步，目标样品表面处理：

第三步，制备梯度表面：

采用直流稳压稳流电源对目标样品进行阳极氧化处理，阳极为目标样品，阴极为惰性的铂电极，调整阳极与阴极的相对位置，使阴极距离阳极两端约5mm，具体装置如图3A所示，阴极采用两片铂电极，分别位于阳极两端的垂直平面内，每个阴极平面边缘与阳极平面的最近距离为5mm，目的是为了使阳极两端距离阴极最近，而中部距离阴极最远，从而使得在阳极氧化过程中，目标样品两端电流密度较大，而中部电流密度较小，再控制电流强度从0.1A到0.5A变化，阳极氧化时间从0min到20min变化，实验结果如图3B所示，电流密度较小的阳极中间位置接触角最大达到40度，浸润性最好，电流密度较大的阳极两端位置接触角相同，均小于10度，浸润性最小，这样，在纤维板表面形成了从从中间到两边的浸润性逐渐增大的梯度表面。

实施例6：

本实施例提供阳极氧化构筑二维浸润性梯度表面的方法，其中目标样品为圆形石墨板，具体的阳极氧化过程包括以下几个步骤：

第一步，电解液的制备：

制备浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液。

第二步，目标样品表面处理：

对圆形石墨板进行等离子处理，去除其表面的杂质，然后用离子水冲洗干净，烘干待用。

第三步，制备梯度表面：

采用直流稳压稳流电源对目标样品进行阳极氧化处理，阳极为目标样品，阴极为惰性的铂电极，调整阳极与阴极的相对位置，使阴极距离阳极圆心约5mm，具体装置如图4A所示，所述的铂电极为点电极，点电极距离距离圆形石墨板的圆心最近，为5mm，而周边距离阴极最远，从而使得在阳极氧化过程中，目标样品圆心电流密度较大，而周边电流密度较小，再控制电流强度从0.1A到0.5A变化，阳极氧化时间从0min到20min变化。如图4B所示，电流密度最大的圆心位置形成的接触角最小，从圆心想周边辐射增加，形成梯度表面。

Claims

1.阳极氧化构筑浸润性梯度表面的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

第一步，电解液的制备；所述电解液为氢氧化钠溶液，浓度为0.05-0.2mol/L；

第二步，目标样品表面处理；所述目标样品是碳纤维板或石墨板；所述表面处理为先进行抛光处理去除表面有机物后再去离子水冲洗；

第三步，获取目标表面：

采用直流稳压稳流电源对表面处理的目标样品进行阳极氧化处理，阳极为目标样品，阴极为惰性的铂电极，调整阳极与阴极的相对位置，使阳极上不同位置到阴极的距离不同，阴极到阳极的最近距离为2～8mm，电流强度0.1A～0.5A，阳极氧化时间小于20min，阳极氧化后在目标样品表面得到接触角均匀变化的梯度表面；所述梯度表面浸润性均匀变化，呈一维或二维梯度。

2.一种浸润性梯度表面，其特征在于：采用权利要求1所述的制备方法得到，所述梯度表面浸润性均匀变化，呈一维或二维梯度。