具有增強的耐久性的經液體浸漬的表面的制作方法

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具有增強的耐久性的經液體浸漬的表面的制作方法
【專利說明】具有增強的耐久性的經液體浸漬的表面
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年3月15日提交的名稱為"MethodsandArticlesfor Liquid-ImpregnatedSurfaceswithEnhancedDurability" 的美國臨時專利申請 61/794, 493的優先權和權益,其公開內容通過引用全文并入本文。
[0003] 背景
[0004] 一般而言,本文所述的實施方案涉及用于制備具有增強的耐久性的經液體浸漬的 表面的設備、系統和方法。
[0005] 在過去10年內微/納米工程化表面的出現為提高熱流體科學中的多種物理現象 開辟了新的技術。例如,微/納米表面織構的應用提供了能獲得較低的粘性阻力、與冰和其 它材料的降低的粘合性、自清潔和拒水性的非潤濕性表面。這些改進通常由固體表面與相 鄰液體之間的減小的接觸(即,較低的潤濕)所導致。
[0006] 一種感興趣的非潤濕性表面是超疏水性表面。超疏水性表面通常包括位于固有疏 水性表面如疏水性涂層上的微/納米級粗糙度。由于微/納米表面織構(其允許液滴下方 的更高表面積比例為空氣)中的空氣-水界面,超疏水性表面抗拒與水接觸。
[0007] 現有非潤濕性表面(例如超疏水性、超疏油性和超疏金屬性表面)的一個缺點是 它們易于刺穿(impalement),這破壞了表面的非潤濕能力。當沖擊液體(例如液滴或液流) 替代夾帶在表面織構中的空氣時,發生刺穿。防止刺穿的先前努力聚焦在將表面織構的尺 寸由微米級降至納米級。
[0008] 現有非潤濕性表面的另一缺點是它們易于形成冰并粘合。例如,當在現有超疏水 性表面上形成霜時,表面變為親水性的。在冷凍條件下,水滴可粘附在表面上,且可累積冰。 由于冰可與表面織構互鎖,除冰可能是困難的。類似地,當這些表面暴露于鹽飽和的溶液時 (例如如在脫鹽或油氣應用中那樣),污垢累積在表面上且導致功能的喪失?,F有非潤濕性 表面的類似限制包括如下問題:在表面上形成水合物和形成其它有機或無機沉積物。
[0009] 因此,需要更堅固的非潤濕性表面。特別地,需要更耐久且即使在反復使用后也可 保持超疏水性的非潤濕性表面。
[0010] 簡述
[0011] 一般而言,本文所述的實施方案涉及用于制備具有增強的耐久性的經液體浸漬的 表面的設備、系統和方法。在一些實施方案中,經液體浸漬的表面包括具有第一滾動角的第 一表面。在第一表面上設置多個固體特征,從而使得在所述多個固體特征之間限定多個間 隙區域。在所述間隙區域中設置浸漬液體,并確定所述間隙區域的尺寸且對其進行設置以 使得浸漬液體由于毛細力而保留在所述間隙區域中。設置在所述間隙區域中的浸漬液體限 定了具有比第一滾動角小的第二滾動角的第二表面。所述裝置包括設置用于將浸漬液體輸 送至所述間隙區域的液體遞送機構。 附圖簡介
[0012] 圖1為根據一個實施方案的裝置的示意圖,其包括經液體浸漬的表面和液體遞送 機構。
[0013] 圖2A顯示了表面上的液滴的示意圖,其具有臨界接觸角。圖2B顯示了當表面傾 斜時液滴的前進和后退接觸角。
[0014] 圖3為根據一個實施方案的具有半固體特征的表面的示意圖。
[0015] 圖4為根據一個實施方案的具有層次半固體特征的表面的示意圖。
[0016] 圖5為用浸漬液體部分浸漬的圖3表面的不意圖。
[0017] 圖6為圖3的經液體浸漬的表面的箭頭A所示區域的放大圖。
[0018] 圖7a_b為根據一個實施方案的置于經液體浸漬的表面上的液滴的示意圖。圖 7c_d顯示了位于經液體浸漬的表面上的水滴的照片。圖7e_f為激光共焦顯微圖像,圖7i_j 為根據一個實施方案的經液體浸漬的表面的ESEM圖像。
[0019] 圖8顯示了經液體浸漬的表面各種熱力學狀態的示意圖和相應的方程。
[0020] 圖9顯示了經液體浸漬的表面的各種狀態的熱力學狀態圖。
[0021] 圖10a顯示了不同經液體浸漬的表面的測得的滾動角的圖線。圖10b顯示了具有 固體特征的經液體浸漬的表面的SEM圖像,圖10c顯示了具有層次固體特征的經液體浸漬 的表面的SEM圖像。圖10d顯示了作為圖10a的經液體浸漬的表面的相關釘扎(pinning) 力函數的滾動瞬間的經標度(scaled)的重力的無量綱圖線。
[0022] 圖11a顯示了作為基材傾斜角函數的測得的水滴速度。圖lib顯示了在經液體浸 漬的表面上運動的水滴的示意圖,其顯示了在本文所述的標度模型中考慮的各種參數。圖 11c顯示了在經液體浸漬的表面上滾動的水滴中所夾帶的咖啡顆粒的軌跡。圖lid顯示了 由本文所述的模型獲得的無量綱圖線。
[0023] 圖12顯示了根據一個實施方案的經液體浸漬的表面。
[0024] 圖13A-B顯示了根據一個實施方案的與儲槽流體連接的經液體浸漬的表面。
[0025] 圖14顯示了根據一個實施方案的容納在容器中的經液體浸漬的表面,其中所述 容器包含多相液體。
[0026] 圖15A顯示了裝置的側視截面圖,所述裝置包括具有經液體浸漬的表面的管和圍 繞該管設置的護套,從而使得在該管和護套之間形成用于容納一定體積的補充浸漬液體的 儲槽。圖15B顯示了沿圖15A中所示的線15B-15B的裝置的前視截面圖。
[0027] 圖16顯示了裝置的側視截面圖,所述裝置包括具有經液體浸漬的表面的管和圍 繞該管的通孔部分設置的T形管,從而使得在該管和T形管之間形成用于容納一定體積的 補充浸漬液體的儲槽。
[0028] 圖17顯示了根據一個實施方案的包括海綿的液體遞送機構。
[0029] 圖18A顯示了根據一個實施方案的呈第一設置的容器,其包括浸漬液體儲槽和可 變形表面。圖18B顯示了呈第二設置的圖18A的容器。
[0030] 圖19顯示了根據一個實施方案的流程圖,其顯示了用于形成經液體浸漬的表面 的方法。
[0031] 圖20A顯示了噴涂有蜂蠟顆粒的PET表面的SEM圖像。圖20B顯示了圖20A中所 示的一部分表面的放大SEM圖像。
[0032] 圖21A顯示了在酸中蝕刻以形成層次固體特征的鋁表面的SEM圖像。圖21B顯示 了圖21A中所示鋁表面的的一部分的放大SEM圖像,其顯示了在表面上形成的層次納米特 征。
[0033] 圖22A顯示了噴砂以形成固體特征的不銹鋼表面的SEM圖像。圖22B顯示了圖 22A中所示的一部分鋁表面的放大SEM圖像。
[0034] 圖23a顯示了水滴在包含lOOcSt硅油作為浸漬液體的第一經液體浸漬的表面上 的冷凝。圖23b顯示了一部分第一經液體浸漬的表面的放大圖。圖23c顯示了水滴在包括 10cSt硅油作為浸漬液體的第二經液體浸漬的表面上的冷凝。
[0035] 圖24和25顯示了示例性裝置的光學圖像,其包括具有經液體浸漬的表面的管和 與該管的通孔部分連接的T形管,從而使得在該管和T形管之間形成用于容納補充浸漬液 體的儲槽。
[0036] 圖26顯示了與通過不包括經液體浸漬的表面或儲槽的第二管、包括經液體浸漬 的表面但不包括儲槽的第三管和不包括經液體浸漬的表面但包括浸漬液體儲槽的第四管 的接觸液體的流量相比,通過圖24和25所示管的接觸液體的流量的圖線。
[0037] 詳細描述
[0038] 一些具有經設計的化學和粗糙度的已知表面具有顯著的非潤濕性(疏水性),這 在寬范圍的商業和技術應用中可能是極為有用的。一些疏水性表面受到大自然的啟發,例 如蓮屬植物,其包括存留在表面的微米或納米織構中的氣囊,從而提高置于該疏水性表面 上的接觸液體(例如水或任何其它水性液體)的接觸角。只要這些氣囊是穩定的,則該表面 繼續顯示出疏水性行為。然而,該類包括氣囊的已知疏水性表面具有某些限制,包括例如: i)氣囊可由于外部潤濕壓力而坍塌,ii)氣囊可擴散至周圍液體中,iii)在織構破壞時,表 面可喪失堅固性,iv)氣囊可被低表面張力液體替代,除非使用特殊的織構設計,和v)可在 織構各處上以納米級形成的冷凝或霜核可完全改變潤濕性質,且賦予織構化表面高度的潤 濕性。
[0039] 非潤濕性表面也可通過將經液體浸漬的表面置于基材上而形成。該類經液體浸漬 的表面可對任何液體呈非潤濕性,即憎惡一切物質的(omniphobic)(例如超疏水性的、超 疏油性的或超疏金屬性的),且可對其進行設置以抵抗冰霜形成且可為高度耐久的。經液體 浸漬的表面可設置在任何基材上,例如在管、容器或器皿的內表面上,且可設置用于為寬范 圍的產品如食品產品、藥物、非處方藥、營養品、健康和美容產品、工業油脂、油墨、瀝青、水 泥、膠粘劑、有害廢棄物、消費產品或任何其它產品賦予非潤濕性表面,從而使得該產品可 顯著容易地在經液體浸漬的表面上排空、脫離或者以另外方式除去。
[0040]本文所述的經液體浸漬的表面包括浸漬進粗糙表面中的浸漬液體,所述粗糙表面 包括限定了間隙區域的固體特征基體,從而使得間隙區域包括浸漬液體囊。浸漬液體設置 用于優先潤濕固體表面,且以強毛細力粘附至微-納米織構化的表面,從而使得接觸液體 具有極高的前進接觸角和極低的滾動角(例如約Γ的滾動角和大于約100°的接觸角)。 這能使得接觸液體顯著容易地在經液體浸漬的表面上除去。因此,本文所述的經液體浸漬 的表面提供了相對于常規超疏水性表面的某些顯著優點,包括:i)經液體浸漬的表面為產 品產生了低滯后,ii)該類經液體浸漬的表面可具有自清潔性質,iii)可經受高滴落沖擊 壓力(即,耐磨的),iv)可在破壞后通過毛細芯吸自愈合,V)可排斥各種接觸液體,例如半 固體,淤漿,混合物和/或非牛頓流體如水、可食用液體或配制劑(例如番茄醬、醬、芥末、蛋 黃醬、糖漿、蜂蜜、凍膠等),環境流體(例如污水、雨水),體液(例如尿液、血液、糞便),或 任何其它流體(例如發用凝膠、牙膏),vi)可減少冰的形成,vii)改善冷凝,viii)允許脫 模,ix)防止腐蝕,X)減少冰或氣體水合物粘合,xi)防止鹽或礦物質沉積物結垢,xii)減 少生物污損,和xiii)改善冷凝。經液體浸漬的表面、制備經液體浸漬的表面的方法及其應 用的實例描述于2012年8月16日提交的名稱為"Liquid-ImpregnatedSurfaces,Methods ofMaking,andDevicesIncorporatingtheSame" 的美國專利 8, 574, 704 中,其全部內 容由此通過引用并入本文。用于在表面上形成固體特征的物質、浸漬液體和涉及可食用接 觸液體的應用的實例描述于2013年9月17日授權的名稱為"Self-LubricatingSurfaces forFoodPackagingandFoodProcessingEquipment"的美國專利8, 535, 779 中,其全部 內容由此通過引用并入本文。無毒經液體浸漬的表面的實例描述于2013年9月16日提交 的名稱為"Non-toxicLiquid-ImpregnatedSurfaces"的美國臨時申請 61/878,481( '481 申請)中,其全部內容由此通過引用并入本文。
[0041] 在一些情況下,經液體浸漬的表面中所含的浸漬液體可從由該經液體浸漬的表面 中所含的固體特征所限定的間隙區域中除去。例如,流經經液體浸漬的表面的本體流體 (例如非牛頓流體)的剪切力可剪切經液體浸漬的表面的浸漬液體。這可導致浸漬液體逐 漸損失且可導致經液體浸漬的表面非潤濕性能的降低。
[0042] 本文所述的經液體浸漬的表面的實施方案包括設置用于為該經液體浸漬的表面 提供浸漬液體補充供料的制品、系統和方法。這可確保用新鮮浸漬液體替代從經液體浸漬 的表面損失的任何體積的浸漬液體,從而保持該經液體浸漬的表面的非潤濕性質。因此,本 文所述的經液體浸漬的表面可具有增強的耐久性和長壽命。本文所述的經液體浸漬的表面 可用于其中在長時間內需要液體連續流動或反復流動的系統中,例如工藝管、管、導管、器 皿、多用途容器或任何其它制品或容器。
[0043] 在一些實施方案中,經液體浸漬的表面包括具有第一滾動角的第一表面。在第一 表面上設置多個固體特征,從而使得在該多個固體特征之間限定間隙區域。在間隙區域中 設置浸漬液體。確定間隙區域的尺寸并對所述間隙區域進行設置,從而使得浸漬液體通過 毛細管作用保留在間隙區域中。置于間隙區域中的浸漬液體限定了具有比第一滾動角小的 第二滾動角的第二表面。裝置還包括設置用于將浸漬液體輸送至間隙區域的液體遞送機 構。
[0044] 在一些實施方案中,具有經液體浸漬的表面的裝置可包括第一基材,其具有第一 表面、第二表面和多個孔,從而使得該孔從第一表面延伸至第二表面。所述裝置還包括與第 二表面隔開的第二基材,從而使得第一基材的第二表面和第二基材限定了內部區域。在第 一基材的第一表面上設置多個固體特征,從而使得該多個固體特征限定了介于該多個固體 特征之間的間隙區域。在間隙區域中設置浸漬液體。確定間隙區域的尺寸并對所述間隙區 域進行設置,從而使得它們通過毛細管作用保持被浸漬液體浸漬。在由第一基材的第一表 面和第二基材所限定的內部區域中設置浸漬液體供料,其通過一個或多個孔與間隙區域流 體連接,從而使得浸漬液體可從內部區域經由所述一個或多個孔流至間隙區域。
[0045] 在一些實施方案中,裝置可包括容器,所述容器具有內表面和外表面以使得內表 面和外表面限定了設置用于容納液體的內部區域。在容器的內表面上設置多個固體特征, 從而使得該多個固體特征限定了介于該多個固體特征之間的間隙區域。在間隙區域中設置 浸漬液體且確定間隙區域的尺寸并對所述間隙區域進行設置以使得毛細力將浸漬液體保 留在間隙區域中。在內部區域中設置液體混合物且與浸漬間隙區域的浸漬液體接觸。所述 液體混合物包括處于其中的浸漬液體以使得該液體混合物可將浸漬液體供應至間隙區域。 在一些實施方案中,所述液體混合物為多相液體。在一些實施方案中,配制液體混合物以使 得當裝置的溫度由第一溫度升至第二溫度時,該液體混合物變得不穩定且分離成兩個不同 的本體相。在一些實施方案中,內表面可具有第一滾動角,同時置于間隙區域中的浸漬液體 限定了具有比第一滾動角小的第二滾動角的接觸表面。在一些實施方案中,對所述液體混 合物進行配制以將浸漬液體供應至間隙區域,從而保持第二滾動角小于第一滾動角。
[0046] 在一些實施方案中,形成經液體浸漬的表面的方法包括在具有第一滾動角的第一 表面上設置多個固體特征。將浸漬液體施加至第一表面,從而使得該浸漬液體填充介于多 個固體特征之間的間隙區域且形成具有比第一滾動角小的第二滾動角的第二表面。所述方 法進一步包括再次施加浸漬液體以保持第二表面的第二滾動角小于第一滾動角。在一些實 施方案中,可由與置于間隙區域中的浸漬液體接觸的多相液體施加浸漬液體。在一些實施 方案中,由與間隙區域流體連通的液體遞送機構再次施加浸漬液體。在一些實施方案中,所 述液體遞送機構通過如下方式的至少一種與間隙區域流體連通:毛細管作用、壓力差、溫度 差、濃度和/或表面張力梯度。
[0047] 本文所用的術語"約"和"大約"通常意指所述值的正負10%,例如約250μπι涵蓋 225-275μm,約 1,000μm涵蓋 900-1,100μm。
[0048] 本文所用的術語"接觸液體"、"本體材料"和"產品"可互換地使用以指代流動的 固體或液體,例如非牛頓流體、賓厄姆流體、高粘度流體或觸變流體,且與經液體浸漬的表 面接觸的固體或液體,除非另有說明。
[0049] 圖1顯示了裝置10的示意性方框圖,其包括經液體浸漬的表面100和液體遞送機 構114。經液體浸漬的表面包括表面110、多個固體特征112和浸漬液體120。浸漬液體120 浸漬進由多個固體特征112限定的間隙區域中。經液體浸漬的表面可與接觸液體CL接觸, 從而使得接觸液體CL可容易地運動至經液體浸漬的表面100。如本文所述,液體遞送機構 114設置用于將浸漬液體輸送至間隙區域。
[0050] 表面110可為設置用于與接觸液體接觸的任何表面。例如,在一些實施方案中,表 面110可為容器的內表面且可具有第一滾動角,例如接觸液體CL(例如,消費產品、洗衣洗 滌劑、咳嗽糖漿、可食用接觸液體、工業液體,或本文所述的任何其它接觸液體)的滾動角。 表面110可為平表面,例如棱形容器、硅晶片、玻璃晶片、桌面、墻壁、擋風裝置、滑雪護目屏 的內表面;或者波形(contoured)表面,例如容器(例如飲料容器),螺旋槳,管,圓形、長方 形、矩形、橢圓形、卵形或其它波形容器的內表面。
[0051] 在一些實施方案中,表面110可為容器的內表面。容器可包括任何合適的容器, 例如管、瓶、小瓶、燒瓶、模具、罐、盆、杯子、蓋、玻璃器皿、壺、桶、箱、手提掛袋(tote)、槽、小 桶、盆、注射器、聽罐、袋、帶內襯的盒、軟管、圓筒和罐頭。在該實施方案中,容器可構造成幾 乎任何所需的形狀。容器可由剛性或柔性材料制成。也可使用箱內襯或聚合物內襯的紙 板或紙盒來形成容器。在一些實施方案中,表面110可包括軟管、管、導管、噴嘴、注射器針 頭、分配尖端(dispensingtip)、蓋、栗的表面,和其它用于容納、輸送或分配接觸液體CL 的表面。表面110可由任何合適的材料形成,包括例如塑料、玻璃、金屬、合金、陶瓷、涂覆的 纖維、任何其它材料,或它們的組合。合適的表面可包含例如聚苯乙烯、尼龍、聚丙烯、蠟、 氟化蠟、天然蠟、有機硅基蠟、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚碳酸丙烯酯、聚酰亞胺、聚 乙烯、聚氨酯、石墨烯、聚砜、聚醚砜、聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯(TFE)、氟化乙烯丙烯 共聚物(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、全氟烷氧基四氟乙烯共聚物(PFA)、全氟甲基乙烯基醚 共聚物(MFA)、乙烯氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、全氟聚醚 (PFPE)、聚氯四氟乙烯(PCTFE)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)、聚乙二醇(PEG)、聚 乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、Tecn〇fl〇n乙酸纖維素、 聚丙烯酸、聚氧化丙烯、D-山梨糖醇、赤蘚醇、木糖醇、乳糖醇、麥芽糖醇、甘露糖醇和聚碳酸 酯。
[0052] 在表面110上設置多個固體特征112,從而使得多個固體特征112限定了介于該 多個固體特征112之間的間隙區域。在一些實施方案中,固體特征112可為粧、球、微/納 米針、納米玻璃、孔、腔、互連孔、互連腔、提供微米和/或納米表面粗糙度的任何其它無規 幾何形式。在一些實施方案中,固體特征的高度可為約10μπι、20μηι、30μηι、40μηι、50μπκ 60μηι、70μηι、80μηι、90μπι、100μηι、200μηι、300μm、400μηι、500μηι、600μηι、700μπι、 800μm、900μm、至多約1mm,包括介于其間的所有范圍,或者任何其它適于接受浸漬液體 120的高度。在一些實施方案中,固體特征112的高度可小于約Ιμπι。例如,在一些實施方 案中,固體特征 112 可具有約lnm、5nm、10nm、20nm、30nm40nm、50nm、100nm、200nm、300nm、 400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或約1,OOOnm的高度,包括介于其間的所有范圍。 此外,固體特征112的高度可例如基本上是均一的。在一些實施方案中,固體特征可具有大 于約 1. 01、1· 05、1· 1、1· 2、1· 3、1· 4、1· 5、1· 6、1· 7、1· 8、1· 9、2· 0、2· 5、3、5 或約 10 的wenzel 粗糙度"r"。在一些實施方案中,固體特征112可具有例如約1-約100μπι,或約lnm至約 1μπι的間隙間距。在一些實施方案中,織構化表面110可具有層次特征,例如微米級特征, 其進一步包括位于其上的納米級特征。在一些實施方案中,表面110可為各向同性的。在 一些實施方案中,表面110可為各向異性的。
[0053] 可使用任何合適的方法將固體特征112設置于表面110上。例如,在一些實施方 案中,可使用自頂向下制造方法來在表面110上形成固體特征112。例如,可使用微米和/ 或納米平版印刷法(例如光刻法、SU-8掩模、納米壓印、硬掩模、陰影光刻法等)來限定表面 110如
再多了解一些
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