本發明屬于材料表面改性領域，尤其涉及一種化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面制備方法。

背景技術：

潤濕性是固體表面的重要性質之一，其由表面化學組成和表面粗糙度共同決定。隨著人們對潤濕性研究的深入，實際應用領域對表面潤濕性的要求也不再僅限于傳統的親水性和疏水性。為了研制出更具有獨特性能的潤濕性表面，人們開始嘗試將一些結構加入到潤濕材料表面設計之中。

柔性多級結構表面是以具有柔性特征的材料為基底，利用某種方法在基底表面上形成的多級梯度結構表面。雖然柔性材料與多級梯度結構的協同設計使其材料表面的疏水性能得到了提高，還可以通過對材料的拉伸來改變其疏水程度，但驅動液滴定向運輸能力還有待進一步加強。為此，在完善了材料表面物理結構的基礎上，還可以設計一種可以改變材料表面化學性質的方法來加強其液滴的運輸能力。

由于潤濕性化學梯度材料具有不同于單一潤濕性材料的性能，在其表面上不同區域潤濕性呈梯度排布，使得近些年來受到越來越多的關注和研究。潤濕性梯度表面是一種組分、結構和潤濕性等隨空間連續變化或者階梯變化的高性能材料，在對液體的潤濕性能發生梯度變化的材料表面上，液體在梯度方向受到的表面張力不相等，導致液體存在由低表面能處向高表面能處自動流動的趨勢和能力。構造潤濕性梯度的主要方法為利用表面化學梯度修飾和構筑表面結構梯度的方法。但大多數研究僅局限于對材料表面潤濕梯度的改造，對液滴驅動效果影響不大，沒有一種較為明顯的改進方法。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供一種化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面制備方法，從而制備出具有良好液滴驅動性能的表面，提高材料表面的潤濕性能，達到簡單、經濟并且能夠廣泛應用的目的。

為此采用如下的技術方案：一種化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面制備方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟（1）制備涂覆液：將聚二甲基硅氧烷的預聚物與交聯劑以質量為10:1的比例混合攪拌均勻，之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的氣泡，制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液；

步驟（2）制備掩蓋板：取一片長50mm、寬25mm、厚1mm的硅模板，利用三維繪圖軟件繪制出梯度結構排布圖，所述梯度結構排布圖是以直徑為10μm、深40μm的單元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板長邊為準，以第一個1mm的距離內單元孔間距為10μm，在第二個1mm的距離內單元孔間距增至20μm并以此類推；然后以繪制的梯度結構排布圖為參照，對硅模板進行雕刻處理；選用的基底為玻璃基底，并對其進行預清洗，即將玻璃基底依次在丙酮、無水酒精、去離子水中超聲10~20min，超聲頻率為50~100hz，之后用水洗凈并進行干燥處理；然后將處理好的硅模板緊密貼合在預清洗后的玻璃基底表面上；將步驟（1）制備的涂覆液通過旋涂的方式均勻覆蓋在硅模板表面，具體旋涂方式的旋涂次數為1次，先以每分鐘1500轉的速率旋涂5s，再以每分鐘8000轉的速率旋涂20s，最后以每分鐘1500轉的速率旋涂5s，之后將旋涂有涂覆液的硅模板以溫度為75℃干燥20min，從而在硅模板表面上形成涂覆液的薄膜；

步驟（3）制備具有柔性的多級梯度結構表面：準備厚度為1mm、寬為25mm的vhb膠帶，先將vhb膠帶拉伸，并維持50%-200%的應變量，然后將步驟（2）制得的掩蓋板旋涂有涂覆液薄膜的一面與拉伸后的vhb膠帶緊密貼合，在溫度為80℃的烘箱中處理2個小時；之后將玻璃基底與硅模板揭下，復制了硅模板梯度結構的涂覆液薄膜便與vhb膠帶緊密貼合；其中對vhb膠帶的預拉伸應變量越大，得到的柱子結構越為密集，即材料表面越為的親水；最后釋放對vhb膠帶的拉力，緊貼在vhb膠帶表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收縮力在其表面上產生屈曲與梯度相結合的多級結構；

步驟（4）制備遮擋板：使用三維繪圖軟件繪制出一個等邊梯形，梯形上短邊長25mm，下長邊長82.8mm，高50mm，兩腰長115mm且與上下邊夾角分別為120°和60°，取一厚度0.3mm、尺寸與上述等邊梯形相同的銅片，將銅片沿梯形的高折疊使之夾角呈90°，即折成一楔形的遮擋板；

步驟（5）制備化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面：將步驟（4）制得的遮擋板的三角形長邊處覆蓋在步驟（3）制備的具有柔性的多級梯度結構表面上，遮擋板的楔形開口方向為vhb膠帶上柱子更密集的方向；將其放置在等離子表面處理機中處理60min后取出，將遮擋板移去后即得到化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面。

根據本發明所述的制備方法制備的化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面，在柔性多級梯度結構表面的基礎上，結合了材料表面的化學性能變化形成的化學梯度，進一步增強了材料表面驅動液滴定向運輸的能力。同時改變了材料的物理結構與化學結構：屈曲上的柱狀結構從左到右其梯度變化為由疏到密，從而致使材料的疏水性從左到右由強變弱；經過等離子處理后的材料由于遮擋板的作用，其受到的反應程度從左到右其梯度變化為由小到大，材料本身為疏水性，經過處理后會變為親水性，從而致使材料的疏水性從左到右由強變弱。兩者的結合極大的提高了材料對于液滴的定向驅動能力，并且由于是以柔性的vhb膠帶為基底制備的多級結構，還可以通過對基底的拉伸來實現多級結構排列密度的變化，從而實現對液滴定向驅動速度的控制。

本發明的有益效果是：

1）使材料的物理梯度與化學梯度相結合，進一步提高的材料定向驅動液滴的能力。

2）以通過對柔性基底的拉伸來改變梯度結構的排布密度，從而改變材料表面的疏水性程度，更易于操控。

3）制備方法簡單經濟。

附圖說明

圖1為具有柔性的多級梯度結構表面的制備示意圖，圖中標號為：1為vhb膠帶，2為涂覆液薄膜，3為硅模板，4為玻璃基底，5為屈曲與梯度相結合的多級結構。

圖2為多級結構表面等離子處理示意圖，其中6為遮擋板。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發明。

參照附圖。實施例1本實施例包括以下步驟：

步驟（1）制備涂覆液：5g聚二甲基硅氧烷（pdms）涂覆液的預聚物與0.5g交聯劑混合攪拌均勻，之后放置在真空干燥箱中用真空泵抽取20min，去除溶液中的氣泡，制得聚二甲基硅氧烷的涂覆液；

步驟（2）制備掩蓋板：取一片長50mm、寬25mm、厚1mm的硅模板3，利用三維繪圖軟件繪制出梯度結構排布圖，所述梯度結構排布圖是以直徑為10μm、深40μm的單元孔在模板上呈梯度分布，所述梯度分布方式以沿模板長邊為準，以第一個1mm的距離內單元孔間距為10μm，在第二個1mm的距離內單元孔間距增至20μm并以此類推；然后以繪制的梯度結構排布圖為參照，對硅模板進行雕刻處理；選用的基底為玻璃基底4，并對其進行預清洗，即將玻璃基底依次在丙酮、無水酒精、去離子水中超聲10~20min，超聲頻率為50~100hz，之后用水洗凈并進行干燥處理；然后將處理好的硅模板緊密貼合在預清洗后的玻璃基底表面上；將步驟（1）制備的涂覆液通過旋涂的方式均勻覆蓋在硅模板表面，具體旋涂方式的旋涂次數為1次，先以每分鐘1500轉的速率旋涂5s，再以每分鐘8000轉的速率旋涂20s，最后以每分鐘1500轉的速率旋涂5s，之后將旋涂有涂覆液的硅模板以溫度為75℃干燥20min，從而在硅模板3表面上形成涂覆液薄膜2；

步驟（3）制備具有柔性的多級梯度結構表面：準備厚度為1mm、寬為25mm的vhb膠帶1，先將vhb膠帶拉伸，并維持50%-200%的應變量，然后將步驟（2）制得的掩蓋板旋涂有涂覆液薄膜2的一面與拉伸后的vhb膠帶緊密貼合，在溫度為80℃的烘箱中處理2個小時；之后將玻璃基底與硅模板揭下，復制了硅模板梯度結構的涂覆液薄膜便與vhb膠帶緊密貼合；其中對vhb膠帶的預拉伸應變量越大，得到的柱子結構越為密集，即材料表面越為的親水；最后釋放對vhb膠帶的拉力，緊貼在vhb膠帶表面上的聚二甲基硅氧烷薄膜便由于收縮力在其表面上產生屈曲與梯度相結合的多級結構5；

步驟（4）制備遮擋板：使用三維繪圖軟件繪制出一個等邊梯形，梯形上短邊長25mm，下長邊長82.8mm，高50mm，兩腰長115mm且與上下邊夾角分別為120°和60°，取一厚度0.3mm、尺寸與上述等邊梯形相同的銅片，將銅片沿梯形的高折疊使之夾角呈90°，即折成一楔形的遮擋板；

步驟（5）制備化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面：將步驟（4）制得的遮擋板的三角形長邊處覆蓋在步驟（3）制備的具有柔性的多級梯度結構表面上，遮擋板的楔形開口方向為vhb膠帶上柱子更密集的方向；將其放置在等離子表面處理機中處理60min后取出，將遮擋板移去后即得到化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面。

本方法制備的化學梯度與柔性多級梯度結構相結合的表面，材料表面上具有屈曲結構，在屈曲結構上還具有呈梯度分布的柱狀結構，且材料表面具有化學梯度，潤濕性由疏水性逐漸變為親水性。液體在材料表面不同長度方向上接觸角不同。步驟（5）中所述的等離子體處理后，材料表面潤濕性原為疏水性，經過處理后為親水性。由于遮擋板的作用，材料左邊所受到的等離子體處理相比于右邊少得多，且從左到右其受到的處理程度呈由少到多的梯度變化。