采用液體浸漬表面的裝置和方法
【專利說(shuō)明】采用液體浸演表面的裝置和方法
[0001 ] 相夫申請(qǐng)案
[0002] 本申請(qǐng)案主張2013年5月24日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案第61/827, 444號(hào)和 2012年11月19日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案第61/728, 219號(hào)的權(quán)利，并且所述申請(qǐng)案W 全文引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體上設(shè)及非潤(rùn)濕和低粘著力表面。更具體地說(shuō)，在某些實(shí)施例中，本發(fā)明 設(shè)及非潤(rùn)濕、液體浸潰表面，其經(jīng)工程改造W消除釘扎和/或避免或誘導(dǎo)遮掩。
【背景技術(shù)】
[0004] 過(guò)去十年間微米/納米工程化表面的出現(xiàn)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于增強(qiáng)熱流體科學(xué)中的 廣泛多種物理現(xiàn)象的新技術(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，微米/納米表面紋理的使用已經(jīng)提供了能夠?qū)崿F(xiàn) 較小粘性阻力、與冰和其它材料的減小粘著力、自清潔W及拒水性的非潤(rùn)濕表面。運(yùn)些改進(jìn) 一般由固體表面與相鄰液體之間減少的接觸（即，較少潤(rùn)濕）所致。
[0005] -種類型的所關(guān)注的非潤(rùn)濕表面是超疏水表面。一般來(lái)說(shuō)，超疏水表面包括本質(zhì) 上疏水表面，如疏水涂層上的微米/納米級(jí)粗糖度。超疏水表面借助微米/納米表面紋理 內(nèi)的空氣-水界面而不與水接觸。
[0006] 現(xiàn)有非潤(rùn)濕表面（例如超疏水表面、超疏油表面W及超疏金屬表面）的一個(gè)缺點(diǎn) 是其易于刺穿，破壞表面的非潤(rùn)濕能力。當(dāng)撞擊液體（例如液滴或液流）移置表面紋理內(nèi) 夾帶的空氣時(shí)，發(fā)生刺穿。先前用W防止刺穿的努力已經(jīng)集中在將表面紋理尺寸從微米級(jí) 降到納米級(jí)上。
[0007] 雖然未在液體浸潰表面的先前研究中得到公認(rèn)，浸潰液體可W覆蓋和"遮掩"表面 上的接觸液體（例如水滴）。舉例來(lái)說(shuō)，遮掩可W通過(guò)在水滴從表面溢出時(shí)夾帶在水滴中引 起浸潰液體的漸進(jìn)性損失。
[0008] 結(jié)霜是影響各種行業(yè)，包括運(yùn)輸、發(fā)電、建筑W及農(nóng)業(yè)的另一問(wèn)題。結(jié)霜的效果可 能導(dǎo)致電源線故障、農(nóng)作物損壞W及飛機(jī)停滯。此外，霜和冰累積顯著降低船舶、風(fēng)輪機(jī)W 及HVAC系統(tǒng)的性能。目前使用的除冰的活性化學(xué)品、熱W及機(jī)械技術(shù)在操作上是耗時(shí)并且 昂貴的。防止霜和冰增長(zhǎng)的被動(dòng)方法的發(fā)展是高度合乎需要的。疏水性表面具有對(duì)于冰核 作用的高能量勢(shì)壘和低冰粘著強(qiáng)度，并且，如果W納米級(jí)和/或微米級(jí)適當(dāng)?shù)卮痔腔?，那?可W排斥過(guò)冷水滴的影響。然而，一旦表面結(jié)霜，疏水表面W及超疏水表面的防冰凍特性 被否定。結(jié)霜和冰粘著力還可W通過(guò)添加液體或油脂到工作表面上來(lái)減少。舉例來(lái)說(shuō)，冰 與飛機(jī)表面的粘著力通過(guò)涂覆娃脂顯著降低，并且可W防止在涂布有注入丙二醇防凍劑的 100ym多孔層的冷凍機(jī)和熱交換器的外部結(jié)霜。然而，在運(yùn)兩種情況下，非固體相犧牲并且 可能泄漏到環(huán)境中，造成顯著的環(huán)境問(wèn)題。
[0009] 需要穩(wěn)固和/或提供最佳非潤(rùn)濕特性W及抗結(jié)霜的非潤(rùn)濕表面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本文所描述的是非潤(rùn)濕表面，其在表面上包括浸潰在具有微米/納米工程化特征 的矩陣內(nèi)的液體，或在表面上包括液體填充孔隙或其它微小孔。在某些實(shí)施例中，與包括夾 帶在表面紋理內(nèi)的氣體（例如空氣）的先前非潤(rùn)濕表面相比，運(yùn)些液體浸潰表面耐刺穿和 結(jié)霜，并且因此更穩(wěn)固。
[0011] 覆蓋固體特征的矩陣頂端的浸潰流體提供非潤(rùn)濕益處。然而，在平衡時(shí)，浸潰液體 可W不覆蓋表面的固體特征（例如微柱或納米草）頂端而無(wú)連續(xù)地補(bǔ)充。此外，在某些浸 潰流體確實(shí)覆蓋固體特征頂端時(shí)，提供非潤(rùn)濕益處，其通常顯示遮掩，并且除非補(bǔ)充否則浸 潰流體耗盡。
[0012] 據(jù)發(fā)現(xiàn)，液體浸潰表面可W經(jīng)工程改造W提供耐刺穿性并且提供非潤(rùn)濕性，而不 需要補(bǔ)充浸潰流體來(lái)補(bǔ)償液體損失W遮掩，并且不需要補(bǔ)充浸潰液體來(lái)維持覆蓋在固體特 征頂端上。
[0013] 在一個(gè)方面，本發(fā)明設(shè)及一種包含液體浸潰表面的物品，所述表面包含浸潰液體 和固體特征的矩陣，所述固體特征經(jīng)充分靠近地隔開(kāi)W在其間或其內(nèi)穩(wěn)定地容納所述浸潰 液體，其中W下中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)成立：（i)0<4《0.25,其中d)是在平衡（例如，其中平衡 可W涵蓋偽平衡）時(shí)液體浸潰表面的投影表面積對(duì)應(yīng)于非浸沒(méi)固體（即，非由浸潰液體浸 沒(méi)，例如可W是"非浸沒(méi)"并且仍與水接觸）的代表性分?jǐn)?shù)擬及（U)SwW<〇,其中是 鋪展系數(shù)，定義為丫。y-丫。。-丫。y，其中丫是由下標(biāo)指示的兩相之間的界面張力，所述下標(biāo)選 自W、VW及0,其中W是水，V是與表面接觸的氣相（例如空氣），并且0是浸潰液體。
[0014] 在一些實(shí)施例中，0<(!)《0. 25 或 0. 01<<1)《0. 25 或 0. 05<<1)《0. 25。在一些實(shí) 施例中，S?w<〇。
[0015] 在一些實(shí)施例中，浸潰液體包含選自由W下組成的群組的至少一員：娃酬油、丙 二醇二辛酸醋/二癸酸醋、全氣聚酸（PFP巧、聚a-締控（PA0)、合成控共寡聚物、氣化聚 硅氧烷、丙二醇、四氯乙締（全氯乙締）、異硫氯酸苯醋（苯基芥子油）、漠苯、艦苯、鄰漠甲 苯、a-氯糞、a-漠糞、四漠化乙烘、1-下基-3-甲基咪挫鐵雙氣甲基橫酷基）酷亞胺 度MIm)、S漠丙烷（1，2,3-S漠丙烷）、二漠化乙締、二硫化碳、漠仿、艦化亞甲基（二艦甲 燒）、斯塔諾拉克斯（stanolax)、施貴寶氏（Squibb'S)液體礦脂、對(duì)漠甲苯、單漠苯、全氯乙 締、二硫化碳、苯基芥子油、單艦苯、a-單氯-糞、四漠化乙烘、苯胺、下醇、異戊醇、正庚醇、 甲酪、油酸、亞麻油酸W及鄰苯二甲酸戊醋。
[0016] 在一些實(shí)施例中，固體特征包含選自由W下組成的群組的至少一員：聚合固體、陶 瓷固體、氣化固體、金屬間固體W及復(fù)合固體。在一些實(shí)施例中，固體特征包含化學(xué)改性表 面、涂布表面、具有粘結(jié)單層的表面。在一些實(shí)施例中，固體特征界定選自由W下組成的群 組的至少一員：孔隙、腔、孔、互連孔隙W及互連腔。在一些實(shí)施例中，固體特征包含選自由 W下組成的群組的至少一員：柱、納米針、納米草、實(shí)質(zhì)上球形粒子W及非晶形粒子。在一些 實(shí)施例中，固體特征具有粗糖表面（例如，固體特征的表面粗糖度例如〉50nm、〉100nm，并且 還<lym)。在一些實(shí)施例中，粗糖表面提供液體在其間或其內(nèi)的穩(wěn)定浸潰，使得 〈9。。其中9。是臨界接觸角。
[0017] 在一些實(shí)施例中，液體浸潰表面經(jīng)配置W使得與表面接觸的水滴不在表面上釘扎 或刺穿并且具有小于40°的滾動(dòng)角a。在一些實(shí)施例中，水滴的滾動(dòng)角a小于35°、小于 30°、小于25?；蛐∮?0。。
[0018] 在另一方面，本發(fā)明設(shè)及一種包含液體浸潰表面的物品，所述表面包含浸潰液體 和固體特征的矩陣，所述固體特征經(jīng)充分靠近地隔開(kāi)W在其間或其內(nèi)穩(wěn)定地容納所述浸潰 液體，其中W下中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)成立:：（i) 0。5(?),后退=〇擬及扣）0。5切,后退=〇和0。5?,后 ?=〇,其中是浸潰液體（例如油，下標(biāo)'〇')在水（下標(biāo)'W')存在下在表面（下 標(biāo)'s')上的后退接觸角，并且其中是浸潰液體（例如油，下標(biāo)'〇')在氣相（下 標(biāo)'V'，例如空氣）存在下在表面（下標(biāo)'s')上的后退接觸角。
[0019] 在另一方面，本發(fā)明設(shè)及一種液體浸潰表面，所述表面包含浸潰液體和固體特征 的矩陣，所述固體特征經(jīng)充分靠近地隔開(kāi)W在其間或其內(nèi)穩(wěn)定地容納所述浸潰液體，其中 W下中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)成立：（i)0MW,后退〉〇;W及（ii) 0。5?,后退〉〇,其中后退是浸潰液 體（例如油，下標(biāo)'〇')在氣相（下標(biāo)'V'，例如空氣）存在下在表面（下標(biāo)'s')上的后退 接觸角，并且其中是浸潰液體（例如油，下標(biāo)'〇')在水（下標(biāo))存在下在表 面（下標(biāo)'s')上的后退接觸角。
[0020] 在一些實(shí)施例中，0M(v),后退〉0W及0MW,后退〉〇。在一些實(shí)施例中，W下中的一項(xiàng) 或兩項(xiàng)成立：（i) 化及（ii)0 其中目。是臨界接觸角。在一些實(shí) 施例中，W下中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)成立：a)0MW,后退<e*c;W及扣）0后退<e*c，其中e*c =cosi(l/r)，并且其中r是表面的固體部分的粗糖度。
[0021] 在一些實(shí)施例中，物品是選自由W下組成的群組的一員：管道、蒸汽輪機(jī)部件、燃 氣輪機(jī)部件、飛機(jī)部件、風(fēng)輪機(jī)部件、眼鏡、鏡子、輸電線、容器、擋風(fēng)玻璃、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、噴 嘴、管或其部分或涂層。
[0022] 在另一方面，本發(fā)明設(shè)及一種包含內(nèi)表面的物品，所述物品至少部分地封閉（例 如，物品是輸油管道、其它管道、消費(fèi)品容器、其它容器）并且適合于容納或傳送具有粘度 y1的流體，其中內(nèi)表面包含液體浸潰表面，所述液體浸潰表面包含浸潰液體和固體特征的 矩陣，所述固體特征經(jīng)充分靠近地隔開(kāi)W在其間或其內(nèi)穩(wěn)定地容納所述浸潰液體，其中浸 潰液體包含水（具有粘度y2)。
[0023] 在一些實(shí)施例中，yi/y2〉1。在一些實(shí)施例中，yi/y2〉〇. 1。在一些實(shí)施例中，化/ 時(shí)（yi/y2)〉〇.1(其中h是固體特征的平均高度并且R是管的半徑或開(kāi)放系統(tǒng)中的平均流 體深度）。在一些實(shí)施例中，化/R)(y1/^2) >0.5。在一些實(shí)施例中，R< 1mm。
[0024] 在一些實(shí)施例中，浸潰液體包含添加劑（例如表面活性劑）W防止或減少浸潰液 體的蒸發(fā)。在一些實(shí)施例中，所述表面包含延伸高于所述固體特征的過(guò)量浸潰液體（例如 油）的拉升區(qū)域。
[0025] 在另一方面，本發(fā)明設(shè)及一種包含液體浸潰表面的物品，所述表面包含浸潰液體 和固體特征的矩陣，所述固體特征經(jīng)充分靠近地隔開(kāi)W在其間或其內(nèi)穩(wěn)定地容納所述浸潰 液體，其中W下中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)成立：（i)〇<4《0.25,其中4是在平衡（例如，其中平衡 可W涵蓋偽平衡）時(shí)液體浸潰表面的投影表面積對(duì)應(yīng)于非浸沒(méi)固體（即，非由浸潰液體浸 沒(méi)-可W是"非浸沒(méi)"并且仍與表面外部的非氣相接觸）的代表性分?jǐn)?shù)；W及（ii)SwW<〇， 其中Sww是鋪展系數(shù)，定義為丫 丫。。-丫W(wǎng)，其中丫是由下標(biāo)指示的兩相之間的界面張 力，所述下標(biāo)選自e、vW及0,其中e是在表面外部并且不同于浸潰液體的非氣相（例如液 體或半固體），V是表面外部的氣相（例如空氣），并且0是浸潰液體。
[0026] 在一些實(shí)施例中，0< 4《0. 25。在一些實(shí)施例中，0.OK4《0. 25。在一些實(shí)施 例中，0. 05<d)《0. 25。在一些實(shí)施例中，SwW<〇。
[0027] 在一些實(shí)施例中，浸潰液體包含選自由W下組成的群組的至少一員：娃酬油、丙 二醇二辛酸醋/二癸酸醋、全氣聚酸（PFP巧、聚a-締控（PA0)、合成控共寡聚物、氣化聚 硅氧烷、丙二醇、四氯乙締（全氯乙締）、異硫氯酸苯醋（苯基芥子油）、漠苯、艦苯、鄰漠甲 苯、a-氯糞、a-漠糞、四漠化乙烘、1-下基-3-甲基咪挫鐵雙氣甲基橫酷基）酷亞胺 度MIm)、S漠丙烷（1，2,3-S漠丙烷）、二漠化乙締、二硫化碳、漠仿、艦化亞甲基（二艦甲 燒）、斯塔諾拉克斯、施貴寶氏液體礦脂、對(duì)漠甲苯、單漠苯、全氯乙締、二硫化碳、苯基芥子 油、單艦苯、a-單氯-糞、四漠化乙烘、苯胺、下醇、異戊醇、正庚醇、甲酪、油酸、亞麻油酸W 及鄰苯二甲酸戊醋。
[002引在一些實(shí)施例中，固體特征包含選自由W下組成的群組的至少一員：聚合固體、陶 瓷固體、氣化固體、金屬間固體W及復(fù)合固體。在一些實(shí)施例中，固體特征包含化學(xué)改性表 面、涂布表面、具有粘結(jié)單層的表面。在一些實(shí)施例中，固體特征界定選自由W下組成的群 組的至少一員：孔隙、腔、孔、互連孔隙W及互連腔。在一些實(shí)施例中，固體特征包含選自由 W下組成的群組的至少一員：柱、納米針、納米草、實(shí)質(zhì)上球形粒子W及非晶形粒子。在一 些實(shí)施例中，固體特征具有粗糖表面（例如，固體特征的表面粗糖度<1ym)。在一些實(shí)施 例中，粗糖表面提供液體在其間或其內(nèi)的穩(wěn)定浸潰，使得0mW,€?<0。。其中0。是臨界接 觸角。在一些實(shí)施例中，液體浸潰表面經(jīng)配置W使得與表面接觸的水滴不在表面上釘扎或 刺穿并且具有小于40°的滾動(dòng)角a。在一些實(shí)施例中，水滴的滾動(dòng)角a小于35°、小于 30°、小于25。或小于20。。
[0029] 在另一方面，本發(fā)明設(shè)及一種包含液體浸潰表面的物品，所述表面包含浸潰液體 和固體特征的矩陣，所述固體特征經(jīng)充分靠近地隔開(kāi)W在其間或其內(nèi)穩(wěn)定地容納所述浸潰 液體，其中W下中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)成立：：（i)目。s(e),后退=0擬及扣）目。s(v),后退=0和目。s(e),后 0,其中0 是浸潰液體（例如油，下標(biāo)'〇')在表面外部不同于浸潰液體的非氣相 (例如液體、固體、半固體、凝膠）（下標(biāo)'e')存在下在表面（下標(biāo)'S')上的后退接觸角， 并且其中是浸潰液體（例如油，下標(biāo)'〇')在氣相（下標(biāo)'V'，例如空氣）存在下 在表面（下標(biāo)'s')上的后退接觸角。
[0030] 在另一方面，本發(fā)明設(shè)及一種包含液體浸潰表面的，所述表面包含浸潰液體和固 體特征的矩陣，所述固體特征經(jīng)充分靠近地隔開(kāi)W在其間或其內(nèi)穩(wěn)定地容納所述浸潰液 體，其中W下中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)成立：a) 0M(V),后退〉0 及（U) 0。5村,后退〉0,其中0〇S(V),后退 是浸潰液體（例如油，下標(biāo)'〇')在氣相（下標(biāo)'V'，例如空氣）存在下在表面（下標(biāo)'s') 上的后退接觸角，并且其中是浸潰液體（例如油，下標(biāo)'〇')在表面外部不同于浸 潰液體的非氣相（例如液體、固體、半固體、凝膠）（下標(biāo)'e')存在下在表面（下標(biāo)'s') 上的后退接觸角。
[0031] 在一些實(shí)施例中，0M(V),后退〉0化及0。5村