空气中水滴和水下油滴的无损转移研究

【作者】 黄柳； 王续跃； 宋金龙；

【机构】 大连理工大学机械工程学院；

【摘要】 可控体积液滴的无损转移在局部化学反应和生物化学分离等领域具有一定的应用前景。近年来,仿壁虎脚的高粘附超疏水表面由于具有超过150°的接触角和较高的粘附力常被用于实现水滴的无损转移。然而,现有的这种利用仿壁虎脚高粘附超疏水表面的方法由于本身粘附力的限制导致液体体积的可调范围较窄,且只能移动至粘附力更高的疏水或亲水表面,无法实现液滴的多次转移。而其他诸如机械手、改变曲率、改变密度等转移方式也部分存在超疏水涂层与基底结合力差、转移效率低、转移过程不可逆、液滴体积不可控等问题。即现有方法难以实现液滴的可逆和可控体积转移。另外,空气中超亲水表面在水下具有超疏油性,可用来实现对水下油滴的无损接触与作用,但多数超亲水表面极易随着放置时间的增加而丧失超亲水性,这在一定程度上限制了其实际应用。针对这些问题,论文拟采用一种负压吸附的方式实现对空气中水滴和水下油滴的可逆和可控体积转移。先通过电化学刻蚀和沸水浸泡技术在铝基体上制备出可长期稳定的超亲水-水下超疏油表面,经硬脂酸修饰后获得超疏水表面,并对所得样品表面的润湿性、微观形貌和化学成分进行了分析,探究了其润湿性随时间的变化规律;利用该技术对上下通孔铝棒进行处理获得超疏水性和水下超疏油性,并基于负压吸附方式,设计搭建分别针对空气中水滴和水下油滴的无损转移装置,研究该装置操控液滴的可行性,分析其可控液滴的体积范围,并研究该方式的可逆重复性及微液滴融合效果。研究结果表明,电化学刻蚀和沸水浸泡铝表面存在着微米级的阶梯凸台铝结构和纳米级的针状勃姆石结构,显示出超亲水-水下超疏油性,水滴在样品表面可迅速铺展,接触角为0°,二氯甲烷在水下样品表面的接触角和滚动角分别为164°和3.6°,且超亲水性至少能保持1年,具有长期稳定性;经降低表面能后,超亲水表面转变为对水的接触角和滚动角分别为165°和2°的超疏水性;设计搭建的转移装置均可用于实现对空气中水滴和水下油滴的无损转移,且均具有较宽的可控体积范围,试验结果与理论分析较为吻合,验证了理论分析的合理性;该转移方式具有较好的可逆重复性,且较易实现微液滴融合,拓展了在微反应系统、贵重试剂转移等领域的应用前景。更多还原