具有光电协同响应性的各向异性超顺滑界面及其制备方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107961965 A(43)申请公布日 2018.04.27

(21)申请号 201711204598.6(22)申请日 2017.11.27

(71)申请人 北京航空航天大学

地址 100083 北京市海淀区学院路37号(72)发明人 衡利苹　王祖彬　刘瑶　(74)专利代理机构 北京众合诚成知识产权代理

有限公司 11246

代理人 夏艳(51)Int.Cl.

B05D 5/08(2006.01)B05D 7/24(2006.01)H01L 51/42(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图2页

CN 107961965 A()发明名称

具有光电协同响应性的各向异性超顺滑界面及其制备方法(57)摘要

本发明公开了一种具有光电协同响应性的各向异性超顺滑界面及其制备方法。将一定比例的P3HT和PCBM混合液涂覆在导电玻璃上，采用定向冷冻法在液氮中冷冻得到P3HT-PCBM薄膜。将上述薄膜放在冷冻干燥机中冷冻干燥得到各向异性的P3HT-PCBM薄膜，然后将一定粘度的硅油通过旋涂法灌入P3HT-PCBM薄膜中得到具有光电协同响应性的各向异性超顺滑界面。本发明利用P3HT、PCBM的导电性和光伏性能实现了各向异性超顺滑界面的光电协同响应性。本发明的具有光电协同响应性的各向异性超顺滑界面具有良好的导电性、多孔性、光电响应性等特点。

CN 107961965 A

权　利　要　求　书

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1.一种具有光电协同响应性的各向异性超顺滑界面的制备方法，其特征是包括以下步骤：

(1)将一定浓度的P3HT-PCBM混合溶液通过旋涂法涂覆在ITO或FTO导电玻璃上，运用定向冷冻法在液氮中冷冻；

(2)将上述薄膜放在冷冻干燥机中冷冻干燥6～15小时，得到P3HT-PCBM各向异性多孔薄膜；

(3)将一定粘度的硅油通过旋涂法涂覆在P3HT-PCBM各向异性多孔薄膜中，得到光电响应性的各向异性超顺滑界面。

2.根据权利要求1所述的P3HT-PCBM混合溶液的浓度为1～8mg mL-1，P3HT与PCBM的质量比为1:(0.2～5)。

3.根据权利要求1所述的P3HT-PCBM溶液的溶剂为氯仿和1,2-二氯苯的混合溶剂，其体积比为1:(5～15)。

4.根据权利要求1所述的P3HT-PCBM的旋涂速度为500～3000rpm。5.根据权利要求1所述的P3HT-PCBM各向异性多孔薄膜，其特征是：P3HT-PCBM具有各向异性，薄膜的厚度为0.2～5μm，孔隙大小为0.2～3μm；其平行方向的水接触角为110±3.8°.，垂直方向的水接触角为115±2.2°，呈疏水状态；硅油的接触角为0°，呈超亲硅油状态。

6.根据权利要求1所述的硅油粘度为2～500cSt，其旋涂速度为2000～8000rpm。7.根据权利要求1所述的各向异性超顺滑界面，其特征是：平行方向的水接触角为102.5±2.3°，垂直方向的水接触角为105.6±2.7°，呈疏水状态；其平行方向的滑动角为3.5±1.9°，垂直方向的滑动角为9.7±2.8°；在2.0V的电压辅助下，平行和垂直方向的水接触角随着光强的增加逐渐减小，滑动角逐渐增大；通过光电协同刺激，从而达到精确水滴滑动的目的；在20～80mW cm-2强度的光辅助下，平行和垂直方向的水滑动角随着电压的增加而增加。

8.根据权利要求1～7任一项所述的制备方法制得的P3HT-PCBM各向异性超顺滑界面。

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具有光电协同响应性的各向异性超顺滑界面及其制备方法

技术领域

[0001]本发明涉及仿生超顺滑界面材料，特别涉及具有光电协同响应性的各向异性超顺滑界面及其制备方法。

背景技术

[0002]自然界为人们设计创新型的先进材料提供了新的方法和途径，向自然学习是先进材料发展的重要源泉。近年来，仿生材料受到了人们越来越多的关注。2011年，美国的Aizenberg等人(Nature,2011,477,443-447.)受猪笼草启发报道了一种液体注入式超顺滑界面，该界面具有良好的自修复性、抗压稳定性、防污以及自清洁功能。这种超顺滑界面在生物医药、流体操纵、燃料输运、防污、自清洁窗户和自清洁光学器件等领域表现出了巨大的应用前景。通过施加光、电、磁或热等外界刺激，可以控制液体在超顺滑界面上滑动行为，实现液体滑动的智能控制。单一外界刺激作用下的液体滑动控制往往存在响应速度慢及控制灵活性差等缺点，同时了其在复杂环境条件下的应用。为了实现更有效的控制液体在超顺滑界面上的滑动行为，多重刺激作用下的相互协同控制，特别是光电协同刺激作用，会使液体滑动行为的更智能，更精准。要实现光电协同控制液体在超顺滑界面上的滑动行为，必须采用导电的基底薄膜，同时引入具有光伏特性的材料。[0003]现有技术在制备液体注入式超顺滑界面时，大多采用自组装法、水模板法、水热法，但是这些方法效率低、功耗大、对仪器要求高，并且制备出来的薄膜是各向同性的。此外，现有控制液体在超顺滑界面上的滑动行为时，多采用单一的电、磁、热等外界刺激，这些控制方法响应速度慢、控制灵活性差，了其在实际领域中的应用。因此本发明提出了采用具有导电性和光伏特性的有机聚合物制备超顺滑界面，以实现光电二元协同控制液体在超顺滑界面上的滑动行为，使其更好地满足微流控芯片、微反应器等应用的要求。发明内容

[0004]本发明的目的之一是为了克服现有单一外界刺激控制液体在超顺滑界面上的滑动行为具有的响应速度慢和控制灵活性差的缺点，从而提供一种具有光电协同响应性的各向异性超顺滑界面，以实现通过光电协同刺激，精确地液体在超顺滑界面上的滑动行为。

[0005]本发明的目的之二是提供一种制备工艺简单、效率高、所得薄膜具有各向异性的可应用于控制液体滑动行为的聚合物超顺滑界面的制备方法。

[0006]本发明中应用于光电协同控制液体滑动的各向异性超顺滑界面的制备方法，具体包括以下步骤：[0007](1)将一定浓度的P3HT-PCBM混合溶液通过旋涂法涂覆在ITO或FTO导电玻璃上，运用定向冷冻法在液氮中冷冻；[0008](2)将上述薄膜放在冷冻干燥机中冷冻干燥6～15小时，得到P3HT-PCBM各向异性多孔薄膜；

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说　明　书

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(3)将一定粘度的硅油通过旋涂法涂覆在P3HT-PCBM各向异性多孔薄膜中，得到光

电响应性的各向异性超顺滑界面。[0010]优选的，所述的P3HT-PCBM混合溶液的浓度为1～8mg mL-1，P3HT与PCBM的质量比为1:(0.2～5)。

[0011]优选的，所述的P3HT-PCBM溶液的溶剂为氯仿和1,2-二氯苯的混合溶剂，其体积比为1:(5～15)。[0012]优选的，所述的P3HT-PCBM的旋涂速度为500～3000rpm。[0013]所述的P3HT-PCBM各向异性多孔薄膜，其特征是：P3HT-PCBM具有各向异性，薄膜的厚度为0.2～5μm，孔隙大小为0.2～3μm；其平行方向的水接触角为110±3.8°，垂直方向的水接触角为115±2.2°，呈疏水状态；硅油的接触角为0°，呈超亲硅油状态。[0014]所述的硅油粘度为2～500cSt，其旋涂速度为2000～8000rpm。[0015]所述的各向异性超顺滑界面，其特征是：平行方向的水接触角为102.5±2.3°，垂直方向的水接触角为105.6±2.7°，呈疏水状态；其平行方向的滑动角为3.5±1.9°，垂直方向的滑动角为9.7±2.8°；在2.0V的电压辅助下，平行和垂直方向的水接触角随着光强的增加逐渐减小，滑动角逐渐增大；通过光电协同刺激，从而达到精确水滴滑动的目的；在20～80mW cm-2强度的光辅助下，平行和垂直方向的水滑动角随着电压的增加而增加。[0016]本发明中的超顺滑薄膜上的液滴的浸润性和滑动行为对光电协同刺激的响应：由于P3HT-PCBM对特定波长的光具有较好的吸收作用(图2)，受光激发产生电子，表面化学性质发生变化，使其浸润性发生变化。随着光强由0增加到100mW cm-2，这种超顺滑薄膜的浸润性由疏水变为亲水，即平行方向的接触角由102.5±2.3°减小到75.8±2.5°，垂直方向的接触角由105.6±2.7°减小到78.1±2.3°(见图3)。

[0017]本发明提供了一种光电协同控制液体在超顺滑界面上的滑动行为的工艺。在无光的条件下，超顺滑薄膜两个方向的滑动角在电压为2.0V时开始增大，在40mW cm-2的光辅助下，两个方向的滑动角在电压为1.0V时开始增大(见图4)。基于此，在光电协同作用下，可以智能控制液体在各向异性超顺滑界面上的滑动行为。[0018]所述的P3HT的分子量为000～75000，如分子式1所示；PCBM的分子量为910.88，如分子式2所示。

[0019]本发明制备的可用于光电协同控制液体滑动的超顺滑界面，改善了现有的水模板法、自组装法、水热法等制备工艺不能得到各向异性薄膜的缺点；同时，本发明采用具有光伏特性的P3HT-PCBM制备的各向异性的超顺滑薄膜，通过光电协同作用可以智能液体在超顺滑界面上的滑动行为。本发明所制备的具有光电协同响应性的各向异性超顺滑界面在液体滑动行为方面具有创新性和应用价值。

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[0020]

附图说明

[0021]图1a).本发明实施例1采用浓度为1mg mL-1的P3HT-PCBM制备的各向异性的多孔薄膜的扫描电镜图(SEM)。

[0022]图1b).本发明实施例2采用浓度为4mg mL-1的P3HT-PCBM制备的各向异性的多孔薄膜的扫描电镜图(SEM)。

[0023]图1c).本发明实施例3采用浓度为8mg mL-1的P3HT-PCBM制备的各向异性的多孔薄膜的扫描电镜图(SEM)。

[0024]图2.本发明测试例1的P3HT-PCBM各向异性多孔薄膜的紫外-可见漫反射光谱。[0025]图3.本发明测试例2的各向异性超顺滑界面上液体在平行方向和垂直方向的接触角随光强变化的关系。

[0026]图4.本发明测试例3的在无光和光照(强度为40mW cm-2)条件下，各向异性超顺滑界面上液体在(a)平行方向和(b)垂直方向上的滑动角随电压变化的关系。

具体实施方式[0027]实施例1

[0028]把P3HT和PCBM按照质量比1:1溶解在体积比为1:9的氯仿/1,2-二氯苯溶液中配制浓度为1mg mL-1的溶液。然后取20μL上述溶液以旋涂法涂覆在洗干净的ITO导电玻璃上，旋涂速度为1000rpm。然后将上述导电玻璃在液氮中定向冷冻，并在冷冻干燥机中干燥12小时，即得到各向异性的多孔薄膜。图1a是各向异性多孔薄膜的扫描电镜图。[0029]实施例2

[0030]把P3HT和PCBM按照质量比1:1溶解在体积比为1:9的氯仿/1,2-二氯苯溶液中配制浓度为4mg mL-1的溶液。然后取20μL上述溶液以旋涂法涂覆在洗干净的ITO导电玻璃上，旋涂速度为1000rpm。然后将上述导电玻璃在液氮中定向冷冻，并在冷冻干燥机中干燥12小时，即得到各向异性的多孔薄膜。图1b是各向异性多孔薄膜的扫描电镜图。[0031]实施例3

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把P3HT和PCBM按照质量比1:1溶解在体积比为1:9的氯仿/1,2-二氯苯溶液中配制

浓度为8mg mL-1的溶液。然后取20μL上述溶液以旋涂法涂覆在洗干净的ITO导电玻璃上，旋涂速度为1000rpm。然后将上述导电玻璃在液氮中定向冷冻，并在冷冻干燥机中干燥12小时，即得到各向异性的多孔薄膜。图1c是各向异性多孔薄膜的扫描电镜图。[0033]实施例4

[0034]把PCBM溶解在体积比为1:9的氯仿/1,2-二氯苯溶液中配制浓度为4mg mL-1的溶液。然后取20μL上述溶液以旋涂法涂覆在洗干净的ITO导电玻璃上，旋涂速度为1000rpm。然后将上述导电玻璃在液氮中定向冷冻，并在冷冻干燥机中干燥12小时，即得到各向异性的多孔薄膜。[0035]测试例1

[0036]由于实施例2制备的各向异性多孔薄膜的孔隙率最高，因此选取实施例2制备的各向异性多孔薄膜，测其平行方向和垂直方向的接触角分别为110±3.8°和115±2.2°；测其硅油的接触角为0°。[0037]测试例2[0038]测试由实施例2和实施例4制备的各向异性多孔薄膜的紫外-可见漫反射光谱，如图2所示，当P3HT存在时，P3HT-PCBM多孔薄膜在380～800nm波长范围内的反射率明显降低，说明P3HT-PCBM多孔薄膜对光具有明显的吸收。[0039]测试例3[0040]把20μL粘度为40cSt的硅油滴在实施例2制备的各向异性多孔薄膜上，采用旋涂法涂覆在多孔薄膜上，即得到各向异性超顺滑界面，旋涂速度为3000rpm。测其平行和垂直方向的接触角分别为102.5±2.3°和105.6±2.7°，平行和垂直方向的滑动角分别为3.5±1.9°和9.7±2.8°。[0041]测试例4

[0042]在各向异性超顺滑界面施加一定强度的白光，测其浸润性，如图3所示，可以看出平行和垂直方向的接触角随着光强的增加而逐渐减小。[0043]测试例5

[0044]在各向异性超顺滑界面上滴一个2μL的水滴，在无光照条件下，在水滴上施加不同的电压，测其平行和垂直方向的滑动角，如图4所示，在0～2.0V时，滑动角不变，当电压大于2.0V时，滑动角开始增大。在40mW cm-2的光照下，在水滴上施加不同的电压，测其平行和垂直方向的滑动角，如图4所示，在0～1.0V时，滑动角不变，当电压大于1.0V时，滑动角开始增大。通过对比有无光照条件下平行方向的滑动角随电压变化的情况，如图4a所示，在相同电压下，光照能够有效的增加水滴的滑动角。[0045]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

图3

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说　明　书　附　图

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图4