CN115253943B - 超疏水低黏附、大滚动角聚乙烯微液滴反应器的制备方法及应用 - Google Patents
超疏水低黏附、大滚动角聚乙烯微液滴反应器的制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种低成本，制作过程简易环保的超疏水低黏附性，大滚动角(>15°)的聚合物表面的制备方法并将其用于微液滴反应器。所述包括：(1)将聚乙烯样品固定，将砂纸粘在活动板上，砂纸粗糙面朝下并接触聚乙烯表面，活动板上方放置1～10kg的重物，重物向下依次通过活动板、砂纸将重力传递到聚乙烯表面；(2)沿聚乙烯平面来回推动活动板，使得砂纸与聚乙烯表面产生摩擦，来回一次为一次刮擦，刮擦5次以上可制得超疏水聚乙烯表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于砂纸打磨制备超疏水低黏附、高滚动角聚乙烯表面的方法及其应用。
背景技术
固体表面的润湿性在基础科学和实际应用中都备受关注。超疏水是固体表面的一种特殊润湿性。通常将静态水接触角大于150°，滚动角小于 10°的表面称为超疏水表面或超疏水低黏附表面。将静态水接触角大于 150°，滚动角大于90°的表面称为超疏水高黏附表面。由于水滴在超疏水表面能够保持近球形，超疏水表面通常用作微液滴反应器，即传统的化学反应可以转移至微液滴中进行。由于液滴在超疏水低黏附性表面极易滚动和滑落，将其制作为容器或器皿形式方可用于微液滴反应器。基于超疏水低黏附性表面，中国发明专利(CN202110026465.4)公开了一种基于超疏水材料的桌面型微液滴化学反应实验平台，实验平台中的承接部件和微液滴反应核心部件是超疏水低黏附性聚乙烯碗状器皿。反应液滴混合后，微液滴在超疏水碗状器皿中做周期性旋转、滚动，实现振荡、混合和加速液滴反应的目的。遗憾的是超疏水低黏附性容器和桌面型微液滴化学反应实验平台的制作过程复杂，成本较高，难以大规模推广。
超疏水高黏附性表面由于同时具有大的粘附力和强的疏水性，水滴在其表面保持球形并且不易滚动滑落，非常适合用作微液滴反应器。Yang等人(Advanced materials,2018,30(9):1704912)模仿槐叶萍表面的类打蛋器微结构，使用3D打印技术制作了超疏水高粘附器件并用来进行微液滴化学反应。Shao等人(Langmuir,2019,35(10):3832)在天然大闪蝶翅膀表面构建水凝胶阵列，闪蝶翅膀为超疏水状态，水凝胶为亲水位点，制备的表面为超疏水高黏附性表面，可以通过液滴悬挂法来进行生物化学反应。遗憾的是，超疏水高黏附性表面用来做微液滴反应器存在两大问题： (i)由于高的黏附性，反应液滴反应完成取走时，会有残留液体，造成反应液的损失；(ii)超疏水高黏附性表面的制备过程复杂，成本较高，化学试剂的使用不可避免地会造成环境污染。Guo等人(Journal of AdhesionScience and Technology,2008,22,395)采用不同目数的砂纸对低密度聚乙烯表面进行刮擦改进其表面润湿性，经过砂纸刮擦后，低密度聚乙烯表面水接触角由原来的94.0°增加到141.3°，此方法虽然简便，但未达到超疏水表面的标准，无法作为微液滴反应器使用。
综上所述，超疏水低黏附性容器和超疏水高黏附性表面存在制备过程复杂，成本较高的问题，超疏水高黏附性表面存在微液滴反应液残留的问题，导致其难以在微液滴反应器上大规模应用。超疏水低黏附性、大滚动角(>15°)的聚合物表面可以让微液滴在其表面保持球形并且不易滚动滑落，液滴反应完成后可以无损转移，可以作为理想的微液滴反应器。至今，一种低成本，制作过程简易环保的超疏水低黏附性、大滚动角(>15°)的聚合物表面微液滴反应器未见报道。本发明提出一种基于砂纸打磨制备超疏水低黏附、高滚动角聚乙烯表面的方法并将其应用到微液滴化学反应上，整个过程无需使用化学试剂，制作过程极其简便、生产成本低、绿色环保。
发明内容
本发明的目的在于寻求一种低成本，制作过程简易环保的超疏水低黏附性，大滚动角(>15°)的聚合物表面的制备方法并将其用于微液滴反应器。
为了实现上述目的，本发明所述高滚动角超疏水低黏附性聚乙烯种类为高密度聚乙烯；聚乙烯厚度为100微米至10厘米，其外观根据厚度和尺寸包含薄膜、片材和块材三种形式；本发明所述高滚动角超疏水低黏附性聚乙烯表面特征为：水接触角>150°，滚动角>15°，粘附力<30μN；本发明所述砂纸打磨法所用砂纸为蓝龙(Blue Dragon)牌cc-240目砂纸；本发明采用金属或木制活动板来粘附砂纸和盛放重物，活动板形状为长方体或正方体，活动板尺寸：长>0.2cm，宽>0.2cm，厚>0.01cm；本发明所述聚乙烯表面可以用来盛放微液滴并进行微液滴化学反应，微液滴体积为 0.1～1000μL，微液滴为含盐或其它水溶性化合物的水溶液；本发明所述聚乙烯表面可以多次重复进行微液滴化学反应；本发明所述聚乙烯表面可以裁剪或切割成多个尺寸更小的微液滴化学反应器。
本发明所述砂纸打磨法包括：
(1)将聚乙烯样品固定，用双面胶带将砂纸粘在活动板上，砂纸粗糙面朝下并接触聚乙烯表面，活动板上方放置1～10kg的重物，重物向下依次通过活动板、砂纸将重力传递到聚乙烯表面，聚乙烯表面所受压强大于0.5 KPa；
(2)沿聚乙烯平面来回推动活动板，使得砂纸与聚乙烯表面产生摩擦，来回一次为一次刮擦，刮擦5次以上可制得超疏水聚乙烯表面。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点：一是制备方法工艺简单、成本低廉、无需专门的设备，且能够大批量生产和制备；二是制备过程表面不需要修饰任何的含氟和其它类型的低表面能物质，绿色环保；三是制备的聚乙烯超疏水低黏附性表面作为微液滴反应器可多次重复使用，表面污染后可通过再次摩擦进行复原并继续使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)光滑聚乙烯水接触角照片,接触角为93.4°；(b)打磨30次聚乙烯水接触角照片，接触角为155.8°。
图2(a)实施例1中向氯金酸微液滴中滴加柠檬酸三钠微液滴的照片；(b) 实施例1中氯金酸微液滴和柠檬酸三钠微液滴刚刚混合反应后的照片；(c) 实施例1中氯金酸微液滴和柠檬酸三钠微液滴混合反应13分钟后，生成含有金纳米颗粒液滴的照片。
图3为实施例2中由裁剪后的超疏水低黏附大滚动角聚乙烯方片阵列组成的微反应器进行纳米四氧化三铁颗粒合成实验的照片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实验例是本发明一部分实验例，而不是全部的实验例。基于本发明中的实验例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实验例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
超疏水低黏附、大滚动角聚乙烯表面的制备与微液滴化学反应合成实验实施案例，该实施例的微液滴化学反应为纳米四氧化三铁粒子的合成实验。
将聚乙烯样品固定，用双面胶带将砂纸(蓝龙(Blue Dragon)牌，cc-240) 粘在木制活动板上(长×宽×高为5.00cm×2.10cm×1.00cm)，砂纸粗糙面朝下并接触聚乙烯表面，活动板上方放置7.5kg的重物，重物向下依次通过活动板、砂纸将重力传递到聚乙烯表面，聚乙烯表面所受压强为70kPa；沿聚乙烯平面来回推动活动板，来回一次为一次刮擦，刮擦30次，成功制得超疏水低黏附、大滚动角聚乙烯表面(接触角：154.7°，滚动角：22.3°， 3μL水滴粘附力：18μN)。如图2(a)所示，向氯金酸微液滴中滴加柠檬酸三钠微液滴，所述氯金酸微液滴的体积为4μL，浓度为12mmol/L，所述柠檬酸三钠微液滴的体积为4μL，浓度为2wt％；如图2(b)所示，氯金酸微液滴和柠檬酸三钠微液滴刚刚混合反应后，液滴的体积变大；如图2 (c)所示，氯金酸微液滴和柠檬酸三钠微液滴混合反应13分钟后，液滴颜色变深，证明有金纳米颗粒生成，表明制备的聚乙烯表面可以用作基于微液滴的化学反应器；移走反应后的微液滴，聚乙烯表面无液体残留。
实施例2
超疏水低黏附、大滚动角聚乙烯表面的制备与微液滴化学反应合成实验实施案例，该实施例的微液滴化学反应为纳米四氧化三铁颗粒的合成实验。
将聚乙烯样品固定，用双面胶带将砂纸(蓝龙(Blue Dragon)牌，cc-240) 粘在木制活动板上(长×宽×高为5.00cm×2.10cm×1.00cm)，砂纸粗糙面朝下并接触聚乙烯表面，活动板上方放置3.75kg的重物，重物向下依次通过活动板、砂纸将重力传递到聚乙烯表面，聚乙烯表面所受压强为35kPa；沿聚乙烯平面来回推动活动板，来回一次为一次刮擦，刮擦50次，成功制得超疏水低黏附、大滚动角聚乙烯表面(接触角：154.7°，滚动角：22.3°， 3μL水滴粘附力：18μN)。将制得的超疏水聚乙烯片切割为边长为5mm 的正方形方片，并规则地粘贴在一个表面皿的底部，形成一个方形阵列微反应器。A1、A2、A3为氢氧化钠微液滴，所述氢氧化钠微液滴的体积为3 μL，浓度分别为0.1mol/L、0.5mol/L、5mol/L；B1、B2、B3为氯化铁/ 氯化亚铁混合微液滴，所述混合微液滴的体积为5μL，其中氯化铁溶液浓度为0.8mol/L，氯化亚铁溶液的浓度为0.4mol/L；C1、C2、C3分别为A1 与B1、A2与B2、A3与B3混合后，生成的含有纳米四氧化三铁颗粒的微液滴。由C1—C3液滴颜色的深浅变化可知，本方形阵列微反应器可成功生成含有不同纳米四氧化三铁颗粒浓度的微液滴；移走反应后的微液滴，聚乙烯表面无液体残留。
显然，上述实验例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种低成本、制作过程简易的超疏水低黏附性，大滚动角的聚合物表面的制备方法，所述超疏水低黏附性、大滚动角聚乙烯种类为高密度聚乙烯，包括如下步骤：
（1）将聚乙烯样品固定，将砂纸粘在活动板上，砂纸粗糙面朝下并接触聚乙烯表面，活动板上方放置1-10 kg的重物，重物向下依次通过活动板、砂纸将重力传递到聚乙烯表面；所述聚乙烯表面所受压强大于0.5 KPa；所述聚乙烯表面不修饰低表面能物质；所述砂纸为蓝龙（Blue Dragon）牌cc-240目砂纸；
（2）沿聚乙烯平面来回推动活动板，使得砂纸与聚乙烯表面产生摩擦，来回一次为一次刮擦，刮擦5次以上可制得超疏水聚乙烯表面。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低表面能物质为含氟低表面能物质。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超疏水低黏附性、大滚动角聚乙烯面特征为：水接触角>150°，滚动角>15°，粘附力<30 μN。
4.权利要求1-3任一项所述低成本、制作过程简易的超疏水低黏附性，大滚动角的聚合物表面的制备方法在微液滴化学反应中的应用，其特征在于，制得的聚乙烯表面用来盛放微液滴，微液滴体积为0.1-1000 μL，微液滴为水溶性化合物的水溶液。
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