一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置及調(diào)控方法
【專利摘要】一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置，包括微量液體泵、液壓表、調(diào)控芯片、管系、微量氣體泵、氣體開關(guān)、氣壓表、推桿、水槽和微控制器，調(diào)控芯片是由硅片隔成氣體容腔和液體通道腔的透明封閉容器，硅片上均勻的開有微孔，液體通道腔前端液體入口與微量液體泵相連，液壓表連接在管路上，液體通道腔的后端設(shè)有與水槽相連的液體出口；氣體容腔的前端設(shè)有與微量氣體泵相連的氣體入口，氣體開關(guān)和氣壓表連接在管路上，氣體容腔的底面是彈性薄膜；推桿置于彈性薄膜外的中心處，與彈性薄膜面相接觸，推桿與微控制器相連。調(diào)控方法是：調(diào)節(jié)推桿在0位與最大推程間運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)表面潤濕性調(diào)控。有益效果是：易于實(shí)現(xiàn)，重復(fù)性好，適用于微流體系統(tǒng)。
【專利說明】一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置及調(diào)控方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于微量流體【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及材料表面潤濕性調(diào)控技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]潤濕是日常生產(chǎn)和生活中常見的現(xiàn)象，潤濕性是固體表面的重要特性之一。超疏水表面在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪芯哂袕V泛的應(yīng)用前景，引起了人們的極大關(guān)注。超疏水表面已經(jīng)被應(yīng)用于天線、門窗防積雪，船、潛艇等外殼減小阻力，石油輸送管道內(nèi)壁、微量注射器針尖防止粘附堵塞，減少損耗，紡織品、皮革制品防水防污等。
[0003]潤濕性可控的表面，是在外界環(huán)境的刺激下材料表面與液滴的接觸角可以發(fā)生可逆變化的表面。通過適當(dāng)改變外界環(huán)境條件，可以實(shí)現(xiàn)表面潤濕性在疏水與親水之間，甚至在超疏水與超親水之間轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)有技術(shù)中主要通過兩種途徑實(shí)現(xiàn)表面潤濕性的調(diào)控:一種是表面微結(jié)構(gòu)的調(diào)控，即依靠外界環(huán)境的刺激作用使固體表面的形貌發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變，從而使液滴在材料表面的狀態(tài)發(fā)生響應(yīng)和變化。但是，由于現(xiàn)有技術(shù)手段的限制，表面微結(jié)構(gòu)的調(diào)控難以在線控制。另一種是表面自由能調(diào)控，即在保持材料表面形貌的條件下，利用外界環(huán)境的刺激作用定向改變材料表面化學(xué)組成，從而改變表面自由能，使液滴在表面的接觸角相應(yīng)地發(fā)生變化。通過表面自由能調(diào)控可以快速、有效地實(shí)現(xiàn)材料表面潤濕性的在線操控?，F(xiàn)有的潤濕性調(diào)控技術(shù)的不足是:實(shí)現(xiàn)反復(fù)調(diào)控比較復(fù)雜，而且都不適用于微流體系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種操作方便，且適用于微流體系統(tǒng)的表面潤濕性調(diào)控裝置及調(diào)控方法，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置，包括微量液體泵、液壓表、調(diào)控`芯片、管系、微量氣體泵、氣體開關(guān)、氣壓表、推桿、水槽和微控制器，其特征在于:所述調(diào)控芯片是具有兩個(gè)腔的透明封閉容器，所述兩個(gè)腔的上腔是液體通道腔，下腔是氣體容腔，液體通道腔和氣體容腔之間由硅片隔開，所述硅片上均勻的開有微孔，所述液體通道腔的前端設(shè)有液體入口，液體入口用管路與微量液體泵出口相連，液壓表連接在液體入口與微量液體泵出口相連的管路上，微量液體泵進(jìn)口用管路與水槽相連，液體通道腔的后端設(shè)有液體出口，液體出口用管路與水槽相連；所述氣體容腔的前端設(shè)有氣體入口，氣體入口用管路與微量氣體泵相連，在微量氣體泵與氣體入口相連的管路上依次接有氣體開關(guān)和氣壓表，氣體容腔的底面是彈性薄膜；所述推桿置于氣體容腔底面彈性薄膜外的中心處，與彈性薄膜面相接觸，推桿與微控制器相連。
[0006]本發(fā)明所述一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置，其特征在于:所述硅片上的微孔直徑為0.03~0.08mm,相鄰微孔的間距為0.08~0.12mm。
[0007]本發(fā)明所述一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置，其特征在于:所述氣體容腔長寬和液體通道腔長寬相同，氣體容腔高度比液體通道腔高度高3~7_。[0008]本發(fā)明所述一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置的調(diào)控方法，其特征在于:所述調(diào)控方法包括以下步驟:
[0009]I)啟動(dòng)微量氣體泵，打開氣體管路上的氣體開關(guān)，同時(shí)啟動(dòng)微量液體泵,微量液體泵和微量氣體泵分別向液體通道腔和氣體容腔通入液體和氣體，并使液體入口壓力比氣體入口壓力大0.1Pa?10Pa，觀察硅片底面，在液體通過微孔進(jìn)入氣體容腔時(shí)，立即通過微量氣體泵增大氣體入口壓力，在氣體將液體剛剛推出氣體容腔時(shí)，立即關(guān)閉微量氣體泵，保持微量液體泵運(yùn)行；
[0010]2)在氣液界面穩(wěn)定在微孔的下半部時(shí)，液體完全浸沒微孔，滿足文策爾(wenzel)模型，即為親水模型；
[0011]3)控制微控制器推動(dòng)推桿從O位向上推動(dòng)彈性薄膜，使彈性薄膜慢慢向上凸起，氣體容腔的體積縮小，氣體容腔內(nèi)部氣體壓力升高，在氣液界面上升至硅片上表面，氣體在液體通道腔形成一個(gè)氣泡時(shí)，微控制器停止推動(dòng)推桿，液體沒有浸沒微孔，對應(yīng)的氣液固三相模型為卡西爾(cassie)模型，即為疏水模型，記錄此時(shí)推桿的推程，記為最大推程；
[0012]4)完成以上三步的調(diào)控過程后，對硅片表面的潤濕性調(diào)控就由控制微控制器控制推桿在O?最大推程范圍移動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)硅片表面從親水到疏水的可逆調(diào)控過程。
[0013]本發(fā)明主要是利用壓力法實(shí)現(xiàn)了超疏水表面潤濕性的可逆調(diào)控，薄膜的形狀隨著推桿位置的變化而變化，從而改變了微氣體容腔內(nèi)的氣體壓力，最終實(shí)現(xiàn)表面潤濕性的改變。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]1.采用的是基于壓力的方法，在表面潤濕性調(diào)控方面用的較少。
[0016]2.易于實(shí)現(xiàn)，重復(fù)性好。
[0017]3.適用于微流體系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置回路示意圖。
[0019]圖2是調(diào)控芯片示意圖。
[0020]圖3是硅片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ] 圖4是彈性薄膜形狀變化O位示意圖。
[0022]圖5是彈性薄膜形狀變化最大推程位示意圖。
[0023]圖中1.微量液體泵，2.液壓表，3.調(diào)控芯片，4.管系，5.微量氣體泵，6.氣體開關(guān)，7.氣壓表，8.推桿，9.水槽，10.微控制器，11.液體入口，12.壁面，13液體通道腔，14.液體出口，15.硅片，16.氣體容腔，17.彈性薄膜，18.氣體入口，19.微孔，20.液體，21.氣液界面，22.氣體，d、最大推程。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。
[0025]基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置包括微量液體泵1、液壓表2、調(diào)控芯片3、管系4、微量氣體泵5、氣體開關(guān)6、氣壓表7、推桿8、水槽9和微控制器10,調(diào)控芯片3是具有兩個(gè)腔的透明封閉容器，兩個(gè)腔的上腔是液體通道腔13，下腔是氣體容腔16，液體通道腔I和氣體容腔16之間由娃片15隔開,娃片15上均勻的開有微孔19,微孔19直徑為0.05mm,相鄰微孔的間距為0.10mm。液體通道腔13的前端設(shè)有液體入口 11，液體入口 11用管路與微量液體泵I出口相連，液壓表2連接在液體入口與微量液體泵出口相連的管路上，微量液體泵I進(jìn)口用管路與水槽9相連，液體通道腔13的后端設(shè)有液體出口 14，液體出口 14用管路與水槽9相連；氣體容腔16的前端設(shè)有氣體入口 18，氣體入口 18用管路與微量氣體泵5相連，在微量氣體泵5與氣體入口 18相連的管路上依次接有氣體開關(guān)6和氣壓表7，氣體容腔的底面是彈性薄膜17，氣體容腔16長寬和液體通道腔13長寬相同，氣體容腔16高度比液體通道腔13高度高5_ ;推桿8置于氣體容腔底面彈性薄膜17外的中心處，與彈性薄膜17面相接觸，推桿8與微控制器10相連。
[0026]調(diào)控方法包括以下步驟:
[0027]I)啟動(dòng)微量氣體泵5,打開氣體管路上的氣體開關(guān)6,同時(shí)啟動(dòng)微量液體泵I,微量液體泵I和微量氣體泵5分別向液體通道腔13和氣體容腔16通入液體和氣體，并使液體入口 11壓力比氣體入口 18壓力大5Pa，觀察硅片15底面，在液體通過微孔19進(jìn)入氣體容腔16時(shí)，立即通過微量氣體泵5增大氣體入口 18壓力，在氣體將液體剛剛推出氣體容腔16時(shí)，立即關(guān)閉微量氣體泵5，保持微量液體泵I運(yùn)行；
[0028]2)在氣液界面穩(wěn)定在微孔19的下半部時(shí)，液體完全浸沒微孔，滿足文策爾(wenzel)模型，即為親水模型；
[0029]3)控制微控制器10推動(dòng)推桿8從O位向上推動(dòng)彈性薄膜17，使彈性薄膜17慢慢向上凸起，氣體容腔16的體積縮小，氣體容腔內(nèi)部氣體壓力升高，在氣液界面上升至硅片15上表面，氣體在液體通道腔13形成一個(gè)氣泡時(shí)，微控制器10停止推動(dòng)推桿8，液體沒有浸沒微孔19，對應(yīng)的氣液固三相模型為卡西爾(cassie)模型，即為疏水模型，記錄此時(shí)推桿8的推程，記為最大推程；
[0030]4)完成以上三步的調(diào)控過程后，對硅片15表面的潤濕性調(diào)控就由控制微控制器10控制推桿8在O?最大推程范圍移動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)硅片15表面從親水到疏水的可逆調(diào)控過程。
【權(quán)利要求】
1.一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置，包括微量液體泵(I)、液壓表(2)、調(diào)控芯片(3)、管系(4)、微量氣體泵(5)、氣體開關(guān)(6)、氣壓表(7)、推桿(8)、水槽(9)和微控制器(10)，其特征在于:所述調(diào)控芯片(3)是具有兩個(gè)腔的透明封閉容器，所述兩個(gè)腔的上腔是液體通道腔(13)，下腔是氣體容腔(16)，液體通道腔(13)和氣體容腔(16)之間由硅片(15)隔開，所述硅片(15)上均勻的開有微孔(19)，所述液體通道腔(13)的前端設(shè)有液體入口( 11)，液體入口( 11)用管路與微量液體泵(I)出口相連，液壓表(2 )連接在液體入口與微量液體泵出口相連的管路上，微量液體泵(I)進(jìn)口用管路與水槽(9)相連，液體通道腔(13)的后端設(shè)有液體出口(14)，液體出口(14)用管路與水槽(9)相連；所述氣體容腔(16)的前端設(shè)有氣體入口( 18)，氣體入口( 18)用管路與微量氣體泵(5)相連，在微量氣體泵(5)與氣體入口(18)相連的管路上依次接有氣體開關(guān)(6)和氣壓表(7)，氣體容腔的底面是彈性薄膜(17);所述推桿(8)置于氣體容腔底面彈性薄膜(17)外的中心處，與彈性薄膜(17)面相接觸，推桿(8)與微控制器(10)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置，其特征在于:所述硅片(15)上的微孔(19)直徑為0.03?0.08mm，相鄰微孔的間距為0.08?0.12mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置，其特征在于:所述氣體容腔(16)長寬和液體通道腔(13)長寬相同，氣體容腔(16)高度比液體通道腔(13)高度高3?7mmη
4.權(quán)利要求1所述一種基于薄膜變形的表面潤濕性調(diào)控裝置的調(diào)控方法，其特征在于:所述調(diào)控方法包括以下步驟: 1)啟動(dòng)微量氣體泵(5),打開氣體管路上的氣體開關(guān)(6 ),同時(shí)啟動(dòng)微量液體泵(I),微量液體泵(I)和微量氣體泵(5)分別向液體通道腔(13)和氣體容腔(16)通入液體和氣體，并使液體入口( 11)壓力比氣體入口( 18)壓力大0.1Pa?10Pa，觀察硅片(15)底面，在液體通過微孔(19)進(jìn)入氣體容腔(16)時(shí)，立即通過微量氣體泵(5)增大氣體入口( 18)壓力，在氣體將液體剛剛推出氣體容腔(16)時(shí)，立即關(guān)閉微量氣體泵(5)，保持微量液體泵(I)運(yùn)行； 2)在氣液界面穩(wěn)定在微孔(19)的下半部時(shí)，液體完全浸沒微孔，滿足文策爾(wenzel)模型，即為親水模型； 3)控制微控制器(10)推動(dòng)推桿(8)從O位向上推動(dòng)彈性薄膜(17)，使彈性薄膜(17)慢慢向上凸起，氣體容腔(16)的體積縮小，氣體容腔內(nèi)部氣體壓力升高，在氣液界面上升至硅片(15)上表面，氣體在液體通道腔(13)形成一個(gè)氣泡時(shí)，微控制器(10)停止推動(dòng)推桿(8),液體沒有浸沒微孔(19),對應(yīng)的氣液固三相模型為卡西爾(cassie)模型，即為疏水模型，記錄此時(shí)推桿(8)的推程，記為最大推程； 4)完成以上三步的調(diào)控過程后，對硅片(15)表面的潤濕性調(diào)控就由控制微控制器(10)控制推桿(8)在O?最大推程范圍移動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)硅片(15)表面從親水到疏水的可逆調(diào)控過程。
【文檔編號】B81C1/00GK103693613SQ201310737898
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】張會(huì)臣, 李小磊, 馬曉雯, 黃亞男 申請人:大連海事大學(xué)