通过蒸发刻蚀技术控制液滴在聚合物基体中的定位分布外文翻译资料

 2022-08-04 15:50:19

英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

中文名称 通过蒸发刻蚀技术控制液滴在聚合物基体中的定位分布

摘要：液体的局部夹杂物以空间控制模式提供具有许多功能的固体物质，例如自愈，分泌和可调节的机械性能。然而，迄今为止还没有报道一种策略，能直接控制从均质溶液中获得的液滴在固体基质中的分布。在本文中，我们描述了一种方法，通过使用蒸发刻蚀技术，可选择性地将液滴定位在直接从其溶液中获得的超分子凝胶中。在此过程中，嵌入液滴的区域在自由蒸发区域中形成。在自由蒸发区域中，非挥发性液体在凝胶化之前聚集并产生相分离以产生液滴，而在蒸发受阻的区域中则形成了均匀的凝胶基质。具有液滴嵌入图案的涂层的不同区域显示出不同的分泌能力，从而能够控制水滴的定向运动。

关键词：动态材料、蒸发刻蚀、液滴、聚合物基体、超分子凝胶

将液体以离散液滴的形式分散于固体基质是调节材料性质的一种很好的方法。[1]它可以为表面损伤的自我修复提供机制，[2]比如说，调节表面的光学性能，[3]保持表面的可湿性和防滑性,[4]调整表面的材料强度[5]。这些功能的基础是固体基质中的液体储存。固体成分易于组装和定位，而与固体成分不同的是液体具有流动性和内在粘性。液滴通常通过分子自组装或微流控乳化被包装成类固体颗粒，然后再整合到固体基质中。[6]这些过程对均质溶液产生的固体基质中液体夹杂物的直接定位有一定挑战，从而使液体的精确/定向输送、表面性质的精细调节以及表面水运动的控制变得困难。[7]在本文中，我们介绍了一种方法，即使用蒸发刻蚀技术来控制液滴在动态的聚合物基体中的分布。蒸发刻蚀技术是一种在液相干燥过程中控制颗粒迁移的新技术。它基于溶剂蒸发的调节[8]，并受到咖啡环现象的启发。咖啡环现象是指悬浮液滴的干燥过程，液滴不均匀的蒸发速率导致内部流动，并导致颗粒的局部沉积。[9]

为了通过蒸发刻蚀技术在聚合物基质中滴入液滴，起始系统应包含以下三个组成部分：能够在溶剂蒸发后形成交联基质的聚合物，密封的非挥发性液体以及可以溶解聚合物前驱体和液体的挥发性溶剂。非挥发性液体在所得聚合物基质中应具有低溶解度，使得过量的液体可相分离并形成液滴。[4b]尿素和聚二甲基硅氧烷（uPDMS）的共聚物，当在挥发性四氢呋喃（THF）溶液中凝胶化时，可通过尿素单元之间的氢键形成可逆交联网络进而油滴（即硅油）截留，[4b] 所以选择它作为起始聚合物前驱体。合成具有不同端基（R=Me，NH2或NCO）的各种共聚物uPDMS-R，用于探索不同结构单元对聚合物基质的影响（图1a）。这些聚合物具有相似的分子量，但具有不同的刚度（杨氏模量：uPDMS-NH2gt;uPDMS-NCOgt;uPDMS-Me；参见图S1和表S1）。可以将所有uPDMS聚合物与硅油（粘度：10 cSt）一起溶解在THF中，以产生均质的起始溶液。

图1.通过蒸发刻蚀技术控制液滴在凝胶基质中的定位。 a）将由可交联聚合物uPDMS，硅油和挥发性THF组成的均匀溶液涂在平坦基材上。 b）从未覆盖区域蒸发的THF引起不对称的表面张力，这导致溶液从未覆盖区域转移到被覆盖区域。 c）THF与硅油一起从覆盖区域扩散到未覆盖区域。 d）硅油的不对称分布。 e）在未覆盖区域中过量硅油的相分离导致形成纯硅油滴。 f）凝胶化以形成图案涂层。

我们将起始溶液放置在平坦的基材上，然后在距离液体表面d处用薄膜覆盖住干燥，来制备聚合物涂层（图1）。这个薄膜可以调节THF从涂层中蒸发的速率。在未覆盖的区域中，THF蒸发的速率明显高于被覆盖的区域。快速蒸发导致未覆盖区域中uPDMS和硅油的浓度增加，浓度梯度会导致空气和液面之间产生表面张力。由于THF具有比硅油和uPDMS更高的表面张力，表面张力梯度驱动Marangoni流动，将聚合物和硅油从低表面张力区域（未覆盖区域）带到较高表面张力区域（被覆盖区域；图1b，见S4）同时，未覆盖区域中更快的THF蒸发会产生浓度梯度，因此THF从覆盖区域扩散到未覆盖区域（图1c）。由于THF对硅油的良好亲和性，预计THF运输将伴随硅油分子的转移。另一方面，由于uPDMS的可交联性质和较高的分子量，因此很难与THF分子一起运输。 取而代之的是，uPDMS充当了小液体分子扩散的多孔基质。选择性蒸发引起硅油成分的不对称分布（图1d）。随着进一步的蒸发，过量的硅油经过相分离以产生纯净的液滴，然后uPDMS凝胶化以形成固体基质（图1e，f）。

图2.包含局部液滴的凝胶涂层的结构表征。 a）通过蒸发刻蚀获得的图案化涂层。 i，ii）蒸发刻蚀装置。 iii）获得的涂层的光学图像。 图像上的标记显示了用于收集数据的位置。 b）图片（a，iii）和玻璃控制上标记的不同区域的透射率曲线。 c）从（a，iii）中的标记线获得的轮廓曲线。 d）使用PDI共轭硅油使液体可视化，从不同区域获得共聚焦荧光图像。 i，ii）不透明（未覆盖）区域的3D和2D视图。 iii，iv）透明（覆盖）区域的3D和2D视图。 v）整体形象。 e）不同区域的样品的UV / Vis和f）FTIR光谱。 涂层是由uPDMS-Me（30 wt％）的THF溶液制备的，硅油的载量为160 wt％（油/ uPDMS），厚度为320–20 mm。 用于透射率测量的标绘直径为2mm。

通过蒸发刻蚀技术获得的聚合物薄膜显示出图案化的光学性质（图2a）。覆盖的区域是透明的，而未覆盖的区域是不透明的（图2b）。如在横截面图像中观察到的，透明区域比不透明区域略厚（图2c）。该图案与通过蒸发刻蚀获得的胶体图案相反，在胶体图案中，由于纳米颗粒对流，胶体颗粒在较高溶剂蒸发的区域中积聚并形成平台。在我们的实验中，覆盖区域厚度的增加表明未覆盖区域发生了质量传输，这主要是因为选择性蒸发引起的浓度驱动的表面张力梯度[11]（图S2）。THF（27 mNm-1）的表面张力高于硅油（21 mNm-1）和uPDMS（类似于硅酮弹性体，通过水接触角估算得知；见图S3）。因此，由于更快的蒸发，混合物的表面张力在THF耗尽的区域减小（图S4）。为了证明这种由表面张力驱动的运动，我们将THF，硅油和uPDMS的各种混合物的液滴放置在平坦的基底上，并部分覆盖它们，从而产生不对称的表面张力，并记录了它们的运动（视频S1和S2）。如预期的那样，我们观察到每个液滴变形并朝着覆盖的区域移动。我们用共聚焦显微镜探测uPDMS材料中液滴的形成和定位。为了能够成像，将荧光标记苝酰亚胺（PDI）与硅油结合（参见图S5）。在不透明区域中，观察到纯硅油的离散液滴为亮点[4b]，它们均匀分散在相对较暗的聚合物和液体连续基质中（图2d）。在透明区域，仅观察到均匀的聚合物-液体基质，没有液滴。在不透明区域和透明区域之间，可以观察到过渡区域，并具有清晰的液滴大小和密度梯度。通过UV/Vis和FTIR光谱，进一步证实了由区域蒸发引起的组合物的重新分布（图2 e，f）。硅油用PDI染色，因此未覆盖区域中材料在UV/Vis光谱中较强的PDI吸收代表较高的硅油浓度（1.38倍）。[12]FTIR光谱中较弱的羧基吸收进一步证实了该区域uPDMS的减少。

图3.使用和不使用遮挡模板获得的凝胶涂层的比较。 a）比较由uPDMS-Me的THF溶液（含160 wt％硅油）（油/ uPDMS）制成的有遮挡模板和无遮挡模板样品中形成的液滴。 液滴的数量是根据2D图像估算的。 b）从uPDMS-Me的THF溶液（硅油负载量为90 wt％）获得的具有（左）和不具有（中）薄模的凝胶涂层的光学图像。 显示了一个玻璃控件以进行比较（右）。 由不带遮挡模板的uPDMS-NCO和uPDMS-NH2（c）和带遮挡模板的uPDMS-NH2（d）制成的凝胶涂层的共焦图像。 （c）和（d）中样品的硅油负载量为160 wt％。

我们还比较了有模板和无模板遮挡的干燥过程中形成的液滴（图3a）。用模板遮挡的涂层中的液滴要比没有模板遮挡时形成的液滴大。在当前材料系统中液滴的自形成过程中，溶剂的蒸发引起相分离和凝胶化。液滴在相分离过程中产生，然后在凝胶化过程中固定。[4b]在相分离和凝胶化之间有一个时间段可以使液滴融合以降低界面能。在蒸发刻蚀中，从覆盖区域补充THF会放大这个时间段，为液滴的融合留出更多的时间。被覆盖样品中观察到的液滴密度较低，分散性较高，这也支持了这一假设。另一方面，硅油的局部聚集也有助于液滴尺寸的增大。这种聚集效果可用于从不饱和溶液中产生液滴。 例如，uPDMS-Me在硅油中的饱和度为98 wt％（油/uPDMS，通过uPDMS-Me在硅油中的溶胀估算）。在没有薄膜覆盖的情况下，硅油负载量为90 wt％的THF溶液形成了透明薄膜（图3b）。然而，当这种不饱和溶液用于蒸发刻蚀时，硅油集中在未覆盖的区域，形成过饱和状态，从而产生液滴。在没有选择性蒸发的情况下，液滴会在薄膜的整个深度上均匀地形成。[4b]为了评估蒸发刻蚀技术对横截面中液滴分布的影响，我们在密封状态下用THF蒸气制备了一个较厚的样品。所得涂层中的液滴大于正常条件下形成的液滴，但在整个深度剖面范围内均未显示出分布梯度（图S6）。我们进一步研究了蒸发刻蚀对不同聚合物体系的定位效果。我们首先测试了不同端基的uPDMS中液滴的形成。值得注意的是，聚合物端基官能团结构对凝胶化有显著影响：在uPDMS-NCO和uPDMS-Me体系中都缓慢凝胶化产生了较大的液滴。而在uPDMS-NH2体系中凝胶化与相分离同时进行，为液滴提供的融合时间较少（图3c，表S1）。这种效应是由于uPDMS-NH2聚合物链之间的氢键键合作用较强造成的（表S1），其中参与交联的氨基末端基团导致更快的凝胶化。这三种聚合物都能通过蒸发刻蚀技术产生图形化的液滴嵌入涂层。尽管uPDMS-NH2系统中的液滴略小于对照组，但我们没有观察到液滴密度有显著降低（图3 d）。这一发现表明，在uPDMS-NH2系统中，添加THF不会显著增加相分离和凝胶化之间的时间间隔给液滴融合。从这些结果，我们可以得出结论，蒸发刻蚀技术对相分离和凝胶化有一定影响，但不会改变其固有顺序。从基质中释放储存的液体对于恢复许多材料功能至关重要。[2，4]动态uPDMS基质中存储的硅油滴可将油分泌到表面或受损区域，以维持界面光滑。[4b, 13] 我们猜想对硅油液滴的定位能够控制涂层的这种自我调节的分泌。为了证明这种能力，我们用刀进行损伤实验，比较了不同区域的损伤导致的分泌物（图4a和视频S3）。对不透明区域的损害很快消失，而透明区域上的切口仍然保留，这表明分泌是局部化的。这种性质可用于控制图案涂层上的水滴运动（图4b和视频S4）。当制备过程中覆盖区域和未覆盖区域的样品表面都受到线型损伤时，水滴可以平滑地通过覆盖区域，但会附着在未覆盖区域上。

图4.局部恢复和水滴在图案化涂层上的滑动，该涂层由于用刀切割而受损。 a）损伤之前（i）和损伤之后（0 s（ii），15 s（iii），30s（iv）和40 s（v）的涂层光学图像。 b）在0 s（i），0.5 s（ii），1.5 s（iii），2 s（iv）和3.5 s（v）的损坏涂层上的水滴（10 mL）的光学图像。 实线和虚线分别表示对透明和不透明区域的损坏。

综上所述，我们描述了一种简单的方法来精确定位聚合物基质中的液滴包埋与分布，该液滴是通过蒸发刻蚀技术直接从其前驱体溶液中形成的。用这种方法产生图案化的组合物。当溶剂在模板遮挡下选择性蒸发时，均匀状态的液体和聚合物会被重新分布。负责形成最终交联基质的聚合物移至受阻蒸发区域，而过量的非挥发性液体则以较快的速度蒸发浓缩在该区域，从而引起相分离而产生液滴。 凝胶后，含液滴和无液滴的区域显示出不同的特性。用简单的三组分体系演示的液滴定位原理可以应用于其他不同的材料体系中，以有效调控材料的功能，例如润滑性，自愈性和耐污性。

实验部分

用移液管将uPDMS溶液（300 mL）和THF中的硅油涂覆到1.5times;2.5 cm2玻璃基板上。立即用自制的铝面罩覆盖系统，然后在空气中干燥24小时，然后进行表征。获得了厚度为320um的薄膜。

致谢

<ol

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</ol

资料编号：[263824]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章