Vorbereitung und Hochtemperatur-Anti-Adhäsion Verhalten einer rutschigen Oberfläche Edelstahl

Zusammenfassung

Rutschige Oberflächen bieten eine neue Möglichkeit zur Lösung des Problems der Adhäsion. Dieses Protokoll beschreibt die Rutschgefahr bei hohen Temperaturen zu fabrizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rutschgefahr Anti-Benetzung für Flüssigkeiten und eine bemerkenswerte Anti-Haftwirkung an Weichteilen bei hohen Temperaturen zeigten.

Zusammenfassung

Anti-Klebeflächen mit hoher Temperaturbeständigkeit haben ein breites Anwendungspotenzial in elektrochirurgische Instrumente, Motoren und Rohrleitungen. Eine typische Anti-Benetzung superhydrophob Oberfläche schlägt einfach fehl, wenn eine Hochtemperatur-Flüssigkeit ausgesetzt. Vor kurzem, Nepenthes-inspirierten rutschigem Untergrund zeigt einen neuen Weg zur Lösung des Problems der Adhäsion. Eine Schmierstoffe Schicht auf der rutschigen Oberfläche kann als eine Barriere zwischen dem abgestoßen Materialien und die Oberflächenstruktur fungieren. Die rutschigen Oberflächen in früheren Studien zeigten jedoch selten hoher Temperaturbeständigkeit. Hier beschreiben wir ein Protokoll für die Vorbereitung der rutschigen Oberflächen mit hoher Temperaturbeständigkeit. Photolithographie-gestützte Methode wurde verwendet, um Säule Strukturen auf Edelstahl zu fertigen. Durch die Funktionalisierung der Oberfläche mit Kochsalzlösung, war eine glatte Oberfläche vorbereitet, indem man Silikonöl. Die vorbereitete rutschige Oberfläche gepflegt die Anti-Benetzung für Wasser, auch wenn die Oberfläche bis 300 ° c erhitzt wurde Die glatte Oberfläche stellte auch, große Anti-Adhäsion Auswirkungen auf Weichteile bei hohen Temperaturen. Diese Art der rutschigen Oberfläche auf Edelstahl hat Anwendungen in der Medizintechnik, mechanische Ausrüstung, etc..

Einleitung

Anti-Klebeflächen bei hohen Temperaturen für Gebrauch mit Flüssigkeiten und Weichteile erhalten haben großes Interesse aufgrund ihrer umfangreichen Anwendungspotenzial in elektrochirurgische Instrumente, Motoren, Rohrleitungen etc. ^{1 , 2 , 3 , 4}. Muskelmodelle Oberflächen, insbesondere superhydrophob Oberflächen gelten wegen ihrer ausgezeichneten Anti-Benetzung Fähigkeiten und selbstreinigende Eigenschaften⁵die ideale Wahl. In superhydrophob Oberflächen sollten die Anti-Benetzungsfähigkeit der gesperrten Luft in der Oberflächenstruktur zugeschrieben werden. Allerdings ist der superhydrophob Zustand instabil, weil es in der Cassie-Baxter State^6,7ist. Auch bei hohen Temperaturen kann die Anti-Benetzung für flüssige Tröpfchen wegen der Benetzung Statusübergang von Cassie-Baxter, Wenzel Zustand⁸fehlschlagen. Benetzung der Übergang wird durch kleine Tropfen Benetzung in den Strukturen induziert die Ergebnisse in das Scheitern, die Luft im Ort zu sperren.

Vor kurzem, inspiriert durch die rutschigen Eigenschaften der Peritome von der Kannenpflanze Nepenthes, berichtete Wong Et Al. eine Konzept auf rutschigem Untergrund zu konstruieren, durch Infusion ein Gleitmittel in die Oberflächenstrukturen^{9,10 ,11}. Durch Kapillare Kraft können die Strukturen den Schmierstoff im Ort, ebenso wie in der gesperrten Atemhöhle auf superhydrophob Oberflächen festhalten. So können der Schmierstoff und Oberflächenstrukturen eine stabile fest/flüssig-Oberfläche bilden. Wenn das Schmiermittel eine bevorzugte Affinität für die Oberflächenstruktur hat, die Tropfen auf das zusammengesetzte Fläche gleitet leicht, mit nur einer sehr geringen Kontaktwinkel Hysterese (z. B. ~ 2 °)¹². Dieser Schmierstoff Schicht ermöglicht auch die Oberfläche bemerkenswerte Anti-Benetzung Funktionen¹³, zeigt großes Potenzial für Medizinprodukte^14,15haben. Frühere Studien auf rutschigem Untergrund konzentriert sich jedoch hauptsächlich auf die Vorbereitung für die Anwendung bei Raumtemperatur oder niedrigen Temperaturen. Es gibt nur wenige Studien über die Vorbereitung des rutschigen Oberflächen mit hoher Temperaturbeständigkeit. Zhang Et Al. zeigte beispielsweise, dass die rasche Verdunstung des Schmiermittels schnell den Fehler der rutschigen Eigenschaft sogar etwas hohen Temperaturen¹⁶verursacht.

Glatte Oberflächen mit hoher Temperaturbeständigkeit können das Anwendungspotenzial erweitern; zum Beispiel können sie als flüssige Barrieren, um Weichgewebe Haftung auf elektrochirurgischen Gerät Tipps zu verringern verwendet werden. Während des chirurgischen Eingriffs tritt schweren Weichgewebe Haftung wegen der hohen Temperatur der elektrochirurgischen Gerät Tipps. Das Weichgewebe kann verkohlt werden, wodurch es zu an der Instrumentenspitze halten, dann das Weichgewebe um Tipp^{17,18,19 reißt}. Die eingehalten Weichteile auf die elektrochirurgische Instrumentenspitze negativ beeinflusst den Betrieb und auch das Scheitern der Blutstillung^19,20induzieren kann. Diese Effekte Schaden deutlich von Gesundheit und wirtschaftlichem Interesse. Daher ist die Lösung des Problems der Weichgewebe Haftung auf elektrochirurgische Instrumente sehr dringend. In der Tat, bieten rutschigem Untergrund die Möglichkeit, dieses Problem zu lösen.

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um Rutschgefahr bei hohen Temperaturen zu fabrizieren. Edelstahl wurde wegen seiner hohen Temperaturbeständigkeit als Oberflächenmaterial ausgewählt. Der rostfreie Stahl wurde durch Photolithographie-gestützte chemische Ätzung aufgeraut. Anschließend wurde die Oberfläche mit einem biokompatiblen Material, saline Octadecyltrichlorosilane (OTS)^21,22,23,24funktionalisiert. Eine glatte Oberfläche wurde vorbereitet, indem man Silikonöl. Diese Materialien aktiviert die glatte Oberfläche, hohe Temperaturbeständigkeit zu erreichen. Die Anti-Benetzung Eigenschaft bei hohen Temperaturen und die Anti-Adhäsion Auswirkungen auf weiches Gewebe wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial der mit rutschigem Untergrund zur Lösung des Problems der Anti-Adhäsion bei hohen Temperaturen.

Protokoll

(1) Photolithographie auf Edelstahl

1. Entwerfen Sie die Fotomaske mittels einer technischen Zeichnung Software und fertigen Sie das Design durch die Vorlage einer Fotomaske Drucker⁴.
2. Waschen der Edelstahl (316 SS; Lengthx Breite: 4 cm x 4 cm, Dicke: 1 mm) durch Spülen in alkalischen Lösungen (50 g/L NaOH und 40 g/L Na₂CO₃) bei Raumtemperatur für 15 min auf Öl-Verunreinigungen zu entfernen.
3. Gründlich reinigen den Edelstahl durch Ultraschall Reinigung in einem Ultraschall Reinigungsanlage (Frequenz: 40 KHz, Ultraschall-Leistung: 500 W). Gegenüber dem Vorquartal mit entionisiertem Wasser, n-Hexan, Aceton und Ethanol für 10 min spülen.
4. Trocknen Sie Edelstahl, indem sie auf eine heiße Platte bei 150 ° C für 30 min. Protect Edelstahl durch abdecken mit einem Blatt Alufolie (Al).
5. Ort der Edelstahl in der Mitte des einen Spin Coater. Verwenden Sie eine Pipette, positiven Photoresist (ca. 1 mL) auf Edelstahl, von der Mitte bis zum Rand zu hinterlegen, bis der Fotolack komplett aus rostfreiem Stahl bedeckt. Vermeidung von Blasenbildung in den Fotolack.
   1. Führen Sie Spin-Coating, zuerst mit einer Geschwindigkeit von 700 u/min/min für 6 s, schleudern, starten und dann mit einer Drehzahl von 1.500 u/min/min 15 s, um den Fotolack gleichmäßig verteilt.
6. Lassen Sie das Vakuumventil und rufen Sie der Edelstahl mit der Pinzette ab. Platzieren Sie den Edelstahl auf einer heißen Platte bei 120 ° C für 2 min backen den Fotolack.
7. Legen Sie den Edelstahl auf das Vakuumventil einer Photolithographie-Maschine. Legen Sie die Belichtungszeit der Photolithographie Maschine, 25 s.
   Hinweis: Hier die Photolithographie-Maschine ist ein Kontakt Aligner mit einer ultravioletten (UV) Licht-Wellenlänge von 254 nm und eine Lichtintensität von 13 mW/cm².
8. Lassen Sie den Edelstahl und legen Sie sie in der Entwicklerlösung für 1 min um den Fotolack zu entfernen, ohne das UV-Licht ausgesetzt. Die Entwicklerlösung entfernen Sie Edelstahl, mit entionisiertem Wasser waschen Sie und trocknen Sie ihn unter N₂ Gas.
9. Ort der Edelstahl auf einer heißen Platte bei 120 ° C für 2 min backen.
10. Verwenden Sie eine aufrechte Mikroskop mit einer Vergrößerung von 100 X auf um die Oberfläche des rostfreien Stahls, die erhaltenen Photoresist Textur überprüfen zu beobachten.

2. chemische Ätzung aus Edelstahl

1. Bereiten Sie ein chemisches Ätzen Lösung mit einem Volumen von 200 mL (400 g/L FeCl₃, 20 g/L Phosphorsäure und 100 g/L Salzsäure) in einen 500-mL-Becherglas.
2. Ort der Edelstahl mit Fotolack Textur in die chemische Lösung für 10 Minuten. Lassen Sie sich nicht die Edelstahl-Teile miteinander in Verbindung. Legen Sie maximal vier Edelstahl-Stück auf einmal.
3. Entnehmt die chemisch geätzt aus rostfreiem Stahl mit einer Pinzette, die Stücke mit entionisiertem Wasser für 1 min waschen und trocknen Sie sie mit N₂ Gas.
4. Die Photoresist-Textur durch Eintauchen der Edelstahl in Aceton für Ultraschall-Reinigung für 5 min zu entfernen. Trocknen Sie die chemisch geätzte Edelstahl mit N₂ Gas.

(3) OTS Selbstmontage auf chemisch geätzte Edelstahl

1. Reinigen Sie chemisch geätzte Edelstahl mit einem stetigen Strom von entionisiertem Wasser, trocknen Sie ihn mit N₂ Gas und legen Sie es auf einer heißen Platte bei 100 ° C für 30 min die Fläche vollständig trocknen.
2. Hydroxylate chemisch geätzte Edelstahl mit einem O-₂ -Plasmabehandlung in einem RF-Plasma-Maschine mit einer HF-Leistung von 100 W für 10 min, ein Druck von 100 Mbar und einer Durchflussmenge von 20 Sccm.
3. Bereiten Sie 1 mM OTS Lösung in wasserfreien Toluol in ein Becherglas. Trocknen Sie den Becher vor Vorbereitung der Lösung gründlich.
4. Spülen Sie die chemisch geätzte Edelstahl mit der OTS-Lösung für 4 h bei Raumtemperatur. Stellen Sie den Becher in einem versiegelten Beutel. Lassen Sie sich nicht die Edelstahl-Stücke in Kontakt miteinander aufnehmen.
5. Entfernen Sie die Edelstahl, mit wasserfreiem Toluol mithilfe Ultraschall-Reinigung für 10 min reinigen Sie und trocknen Sie ihn mit N₂ Gas.

(4) glatt Oberflächenvorbereitung

1. Ca. 10 mL/cm² Silikonöl zu hinterlegen (Viskosität: 350 cst; Oberflächenspannung: 21.1 mN/m) auf die OTS-beschichtet, chemisch geätzt aus rostfreiem Stahl mit einer Pipette.
2. Verwenden Sie eine optische Stereomikroskop, um Benetzung Prozess des Silikonöls auf der Edelstahl-Oberfläche (Vergrößerung von 10 X) zu beobachten.
3. Entfernen Sie überschüssiges Silikon-Öl, indem man den Edelstahl in senkrechter Position für 1 h.

5. Untersuchung des Wassers gleiten Verhalten auf rutschigem Untergrund

1. Hinterlegen Sie ein 4-µL-Wassertropfen auf der rutschigen Oberfläche. Legen Sie den Edelstahl unter dem Lichtmikroskop und kippen Sie das Substrat von ~ 2°.
2. Visualisieren Sie die Wassertropfen gleiten auf der rutschigen Oberfläche an einer niedrigen Vergrößerung (50 X) zu prüfen, ob die glatte Oberfläche leichte gleitende Eigenschaft hat.

6. Analyse der Anti-Benetzung auf der rutschigen Oberfläche bei hohen Temperaturen

1. Ort der Edelstahl mit einer glatten Oberfläche auf einer heißen Platte mit einer Pinzette. Legen Sie die Heizplatte bei verschiedenen hohen Temperaturen (z. B. 200 ° C, 250 ° C und 300 ° C), die Anti-Benetzung Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen zu analysieren.
   Hinweis: Nicht berühren Sie direkt die Hochtemperatur-Edelstahl mit Händen.
2. Verwenden Sie eine Mikro-Spritze, um ein 10-µL-Wassertropfen auf der rutschigen Oberfläche zu hinterlegen.
   Hinweis: Vor dem Ablegen des Wassertropfens, sollte die Temperatur der rutschigen Oberfläche Gleichgewicht erreichen.
3. Verwenden Sie eine High-Speed-Kamera um die Bewegung des Wassers Tröpfchen mit einer Frame-Rate von 500 Hz aufzuzeichnen.
   1. Die Kamera auf einem Stativ fixieren und direkt das Objektiv der Kamera auf den Edelstahl. Stellen Sie den Fokus der Kamera, um ein klares Wasser Tropfen Bild zu erhalten. Notieren Sie die Bewegung des Wassertropfens auf der Edelstahl-Oberfläche durch Drücken der Schaltfläche "Start" der Kamera. Drücken Sie die Ende-Taste an der Kamera, wenn das Wasser Tropfen der Edelstahl rutscht, um die Aufnahme zu vervollständigen.

7. Analyse der Anti-Adhäsion Auswirkungen der rutschigen Oberfläche auf weiches Gewebe

1. Verwenden Sie einen Manipulator, Dynamometer, eine Herdplatte und eine stationäre Vorrichtung zum Einrichten einer Haftung Kraft Messung Plattform⁴, wie in Abbildung 3agezeigt.
2. Legen Sie die Prüffläche auf der Heizplatte. Verwenden Sie eine Klemme aus rostfreiem Stahl auf der Platte zu beheben. Die Prüffläche zu einer bestimmten hohen Temperatur zu heizen (z. B. 300 ° C).
   Hinweis: Die Prüffläche wenden eng die Heizplatte zur effizienten Wärmetransport an die glatte Oberfläche zu gewährleisten.
3. Das Dynamometer für den Manipulator zu beheben. Schließen Sie einen Zylinder-Tisch (Durchmesser: 2 cm) mit einem Kraft-Kopf als ein weiches Gewebe handeln feste Plattform.
4. Das weiche Gewebe zu beheben (z. B. Hühnerbrust, Länge: 5 cm, Breite: 2 cm, Dicke: 3 mm) auf den Zylinder-Tisch mit einem dünnen Draht. Sicherstellen Sie, dass die weiche Gewebeoberfläche etwa sogar.
5. Laden Sie das weiche Gewebe auf die Prüffläche mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s, bis das Dynamometer eine bestimmte maximale Kraft (z. B. 4,5 N) erreicht, indem Sie die Taste "Animation" des Manipulators drehen. Dann entlädt das Weichgewebe mit der gleichen Geschwindigkeit.
6. Schließen Sie einen Computer an das Dynamometer über eine Datenleitung Übertragung und Aufzeichnung der Echtzeit-Kraft zwischen das Weichgewebe und die Prüffläche.

Ergebnisse

Die glatte Oberfläche war vorbereitet, indem man Silikonöl zu OTS-beschichtet, chemisch geätzte Edelstahl. Aufgrund ihrer ähnlichen chemischen Eigenschaften wurde die Oberfläche von Silikonöl vollständig benetzt. Die Benetzung Prozess ist in Figur 1adargestellt. Die rote gestrichelte Linie markiert die Benetzung Linie. Nach der Benetzung, könnte eine sichtbare Ölschicht von der trockenen Oberfläche unterschieden werden. Rutschige Eigentum der vorber...

Diskussion

Diese Handschrift enthält Protokolle für die Herstellung einer glatten Oberfläche mit hoher Temperaturbeständigkeit. Die rutschige Eigenschaft unsere vorbereitete Oberfläche zeigte sich durch die Beobachtung der leichtes Gleiten Verhalten eines Wassertropfens. Dann wurde die Anti-Benetzung der vorbereiteten rutschigen Oberfläche bei verschiedenen hohen Temperaturen durch die Hinterlegung von einem Wassertropfen auf der heißen Oberfläche untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorbereitete rutschige Oberfläch...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Stainless steel	Hongtu Corporation	316	Use as received
Octadecyltrichlorosilane	Huaxia Reagent	112-04-9	Use as received
Photoresist	Kempur Microelectronic Corporation	317S	Use as received
Silicone oil	Beijing Chemical Works	350 cst	Use as received
Anhydrous toluene	Beijing Chemical Works	108-88-3	Use as received
Phosphoric acid (H3PO4)	Tianjin Chemical Corporation	7664-38-2	Use as received
Hydrochloric acid (HCl)	Tianjin Chemical Corporation	7647-01-0	Use as received
Ferric chloride (FeCl3)	Tianjin Chemical Corporation	7705-08-0	Use as received
Optical upright microscope	Olympus	BX51
Optical stereo microscope	Olympus	SZX16
High speed camera	Olympus	i-SPEED LT
Ultrasonic cleaner	KUNSHAN ULTRASONIC INSTRUMENTS CO. LTD	KQ-500E
Dynamometer	Yueqing Handapi Instruments Co. Ltd	HP-5
Manipulator	Yueqing Handapi Instruments Co. Ltd	HLD
Hot plate	Shenzhen Jingyihuang Corporation	DRB-1