CN100439091C

CN100439091C - 一种仿生集水复合薄膜的制备方法

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Publication number: CN100439091C
Application number: CNB2005100748140A
Authority: CN
Inventors: 江雷; 黄忠兵
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: CN1872533A

Abstract

本发明涉及一种仿生集水复合薄膜，包括一基底，其上的疏水聚合物薄膜，及在疏水聚合物薄膜表面数个排列规则的微小圆形突起；所述的疏水聚合物薄膜的厚度小于1mm；所述的突起为玻璃微珠或掺杂了10～70wt%无机氧化物颗粒的亲水聚合物，其直径0.1～1.5mm，高度0.2～1mm，突起中心点之间的距离为2～7mm。该复合薄膜是先将疏水聚合物溶液涂覆在基底上，再用多孔滚筛把亲水的玻璃微珠或亲水聚合物浓溶液涂覆到疏水聚合物的薄膜上而得。该复合薄膜可用于收集雾水滴或驱散浓雾。其集水效率高、使用年限长，具有良好的疏水/亲水性质；提供了不同湿度下的集水量、耐久性和经济性。其收集淡水的成本远低于海水淡化的成本。

Description

一种仿生集水复合薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种仿生集水复合薄膜，及其制备方法。

背景技术

浓雾是一种气象灾害，它不仅给人们出行带来不便，有时甚至会造成生命和财产损失，因此，国外一直在开展低成本人工消雾的研究。另一方面，随着全球气候变暖和人口的迅猛增加，缺水的问题变得越来越突出。例如在我国，由于地理和气候的多样性使得我国很多地区都长期处于缺水状态，这极大地制约了当地的经济发展，特别是西部地区的发展。最近，一门新的技术体系——“雾水工程”正在世界一些国家和地区里悄然兴起。“捕雾取水”的方法一方面可以减小和消除浓雾所带来的危害，另一方面可以收集湿空气中的微小水滴而得到可使用的淡水，因而成为许多国家和地区，特别是干旱的山区、沙漠地区及海岛、海轮等解决淡水严重缺乏的重要途径。

现有的“捕雾取水”的方法是采用散热快的金属，如铝，制成表面光洁的圆筒，竖立于多雾的空气中，在其表面附着的雾很快便凝聚成水，不断地往下流淌，源源不断地生成淡水。在沙漠地区和一般性陆地，晚上湿度大；而在海岛及海洋中(如舰船上)，白天和晚上的湿度都很大。在这类地区，均可因地制宜利用这一原理从雾中取水。

在地处阿塔卡马沙漠的智利圣地亚哥以北的琼贡果村，白天气温很高，雨水稀少，年降水量仅有400毫米，生产和生活用水十分紧张。但此处是一多雾区，且湿度很大。人们采用英国专利(UK Patent Application No.0109814.4)公开的方法，在山腰装置了巨大的雾水转换装置——网眼极细的塑料纤维巨网，每夜可捕雾取水1万多升，从而解决了当地缺水居民的用水困难。

而在我国庐山的多雾山区，人们采用在松树下放置木桶等简单方法收集由松针表面聚集的水滴。

美国专利4,536,420中公开了一种由胶体丙烯酸类树脂和胶体二氧化硅的混合物制得的水湿性涂层，该涂层表面具有开裂的疏水沟槽，且亲水区域面积小于疏水区域，雾水滴可以先在亲水区域形成水铺展层，积累后就会再次形成水滴，并汇聚成大液滴，在疏水沟槽中流动，收集得到可使用的淡水。

但是，上述这些方法集水效率都不是很高，有的成本却很高，无法满足广大缺水地区对水的需要；另外由于大量使用聚丙烯等难降解的塑料而又影响环境。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有技术的集水效率不高，无法满足广大缺水地区对水的需要，且成本高、不环保的缺陷，从而提供了一种具有亲水区域和疏水区域的薄膜结构、可以高效地收集空气中微小水滴而使之成为可用淡水、并可以除雾的仿生集水复合薄膜。

本发明的另一目的在于提供上述仿生集水复合薄膜的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述仿生集水复合薄膜来在收集雾水滴或驱散浓雾中的用途。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的仿生集水复合薄膜，是从沙漠拟步甲昆虫的甲壳收集雾水和蜘蛛网能挂露水珠的现象中得到的启发，如图1所示，该复合薄膜的表面具有亲水区域和疏水区域的复合结构，其包括一基底，其上的疏水聚合物薄膜，及在疏水聚合物薄膜表面数个排列规则的微小圆形突起；所述的疏水聚合物薄膜的厚度小于1mm；所述的突起为玻璃微珠或掺杂了10～70wt％无机氧化物颗粒的亲水聚合物，所述的突起的直径为0.1～1.5mm，高度为0.2～1mm，突起中心点之间的距离为2～7mm。

所述的基底材料为玻璃或塑料片。

所述的疏水聚合物为聚二甲基硅氧烷。

所述的亲水聚合物是含有酰胺基、羟基或羧基的聚合物，例如聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、尼龙4或尼龙6，优选含丙烯酸或甲基丙烯酸的共聚物。

所述的无机氧化物颗粒为市售的胶体二氧化钛或胶体二氧化硅的分散体，其平均粒径为1～100nm，优选5～50nm。

所述的亲水聚合物中的胶体无机氧化物颗粒的掺杂量优选20～50wt％，更为优选30～40wt％。

所述的突起的优选直径为0.2～0.7mm，优选高度为0.3～0.5mm，优选突起中心点之间的距离为3～6mm。

本发明的疏水聚合物薄膜层中还可以包括选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂中一种或多种。

所述的紫外线稳定剂为双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯(商品名为光稳定剂770)，加入量为所述疏水聚合物的1wt％；

所述的紫外线吸收剂为2-氰基-3，3-二苯基丙烯酸2-乙基己酯，加入量小于所述疏水聚合物的0.5wt％；

所述的臭氧稳定剂为苯酚三嗪，加入量为小于所述疏水聚合物的0.3wt％；

所述的抗氧化剂为2，6-二叔丁基4-甲基苯酚(商品名Ultranox^TM 226)，加入量为所述疏水聚合物的0.5～1wt％。

本发明提供一种制备上述仿生集水复合薄膜的方法，如图2所示，是先将疏水聚合物溶液涂覆在基底上，再用多孔滚筛把亲水的玻璃微珠或亲水聚合物浓溶液涂覆到疏水聚合物的薄膜上，具体包括如下的步骤：

1)配制疏水聚合物溶液：

将聚二甲基硅氧烷(以下简称PDMS)的两组份(胶液和固化液)按10∶1的重量份混合均匀，然后加入与胶液同等重量的醋酸丁酯，制得疏水聚合物溶液；

2)处理玻璃微珠：

将直径为0.4～1.0mm的玻璃微珠浸入5wt％的氢氟酸溶液中，在室温下处理1～2小时，滤出玻璃微珠，用水洗涤后烘干，备用；

3)配制亲水聚合物溶液：

将无机氧化物颗粒加入甲酸溶液中，机械搅拌或超声搅拌使体系分散均匀，再加入亲水聚合物，于40～50℃下20min，得到掺杂了无机氧化物颗粒的亲水聚合物溶液，备用；

所述的亲水聚合物是含有酰胺基、羟基或羧基的聚合物，例如聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、尼龙4或尼龙6，优选含丙烯酸或甲基丙烯酸的共聚物；

所述的无机氧化物颗粒为市售的胶体二氧化钛或胶体二氧化硅的分散体，其平均粒径为1～100nm，优选5～50nm；

亲水聚合物中的胶体无机氧化物颗粒的掺杂量为10～70wt％，优选20～50wt％，更为优选30～40wt％；

甲酸的加入量与亲水聚合物的重量比为9∶1；

4)制备复合薄膜：

将步骤1)制得的疏水聚合物溶液采用常规方法均匀涂覆在基底上，干燥10～20分钟，形成疏水聚合物薄膜；然后将步骤2)处理过的玻璃微球或是步骤3)制得的亲水聚合物溶液倒入多孔筛桶，将多孔筛桶倾倒，并滚过疏水聚合物涂层，在涂层上形成直径为0.1～1.5mm，高度为0.2～1mm，突起中心点之间的距离为2～7mm的突起；最后，在50℃干燥2～3h，得到本发明的仿生集水复合薄膜；

所述的基底材料为玻璃或塑料片；

所述的疏水聚合物的涂覆方式包括喷涂、刮涂、浸涂、辊涂等技术。

本发明提供的上述仿生集水复合薄膜的制备方法，还包括在疏水聚合物薄膜层中加入选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂中一种或多种。

所述的臭氧稳定剂为苯酚三嗪，加入量为小于所述疏水聚合物的0.3wt％

所述的抗氧化剂为2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚(商品名Ultranox^TM 226)，加入量为所述疏水聚合物的0.5～1wt％

本发明提供的上述仿生集水复合薄膜可用于收集雾水滴或驱散浓雾。其具有高效集水或驱雾的功能，能够增大空气中的水滴在复合薄膜表面的聚集，同时减少空气中的水分，从而提高空气的能见度。在适合的空气温度和湿度下，空气中的湿气被该复合薄膜表面的亲水区域所吸引而迅速铺展开，随着水气的大量铺展聚集而在疏水表面形成比较大的水滴。当薄膜倾斜或垂直安装时，这些大水滴滚动薄膜板的集水槽中而汇集为可使用的淡水。

本发明提供一种使用上述仿生集水复合薄膜来收集雾水滴或驱散浓雾的装置，如图3所示，包括：2根由小电机驱动的升降杆1，其间由四根水平的流水槽6相连，流水槽的一端连接于引水管2，引水管2接入下面的盛水桶3中；流水槽6之间间距为1米，其间垂直安装本发明提供的仿生集水复合薄膜7；升降杆1由固定绳4和固定桩5固定。

所述的流水槽为塑料或金属制作的槽。

所述的引水管为塑料制作的管子。

所述的升降杆的高度为7～10米，间距为10～15米。

当大雾出现时，升降杆通过电动升起，同时带动流水槽、仿生集水复合薄膜和引水管随之自动伸出；仿生集水复合薄膜收集到的淡水流入到流水槽中，并经引水管进入盛水桶中；当大雾驱散后，电动降下升降杆，流水槽、仿生集水复合薄膜和引水管随之落下而进入存放箱中，以避免材料老化。

使用上述仿生集水复合薄膜来收集雾水滴或驱散浓雾的装置(简称集水安装架)可以一字形安装在海岛(海岸)、高山等迎风缓坡处以及多雾区建筑物的外墙壁上以收集淡水，也可以两排或数排安放，以解决我国许多多雾而缺水地区的用水问题，有利于这些地区的生态保护和改善当地居民生活水平。在浓雾多发地区，也可将其安装在高速公路两边的隔离带处或飞机场四周的空地处，并适当提高升降杆的长度，可以起到驱散浓雾和提高空气能见度的作用，从而大大减少浓雾带来的经济损失。

本发明提供的仿生集水复合薄膜，是从沙漠拟步甲昆虫的甲壳收集雾水和蜘蛛网能挂露水珠的现象中得到的启发，如图1所示，该复合薄膜的表面具有亲水区域和疏水区域的复合结构，且亲水区域的面积小于疏水区域的面积，与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、亲水区域通过规则的突起增加了亲水面积，尤其是使用无机氧化物颗粒掺杂的亲水聚合物所形成的突起，其表面又具有更微观的突起或微孔，更增加了亲水区域的面积，增大了空气水滴的碰撞几率和铺展速度，使得集水的效率得以提高。

2、本发明所使用的亲水聚合物具有良好的户外稳定性；

3、本发明所使用的无机氧化物颗粒具有低成本、亲水性优良，与聚合物的相容性良好的特性；

4、通过添加紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂等，使得本发明提供的仿生集水复合薄膜不易降解，更为耐用，可延长使用年限；

5、该仿生集水复合薄膜本具有良好的疏水/亲水性质，在室温对3μm的水滴测量，其亲水区域的静态接触角(static contact angle)小于30°，甚至可以小至10°，而疏水区域的静态接触角超过80°，甚至可以超过110°；

6、本发明的仿生集水复合薄膜提供了不同湿度下的集水量、耐久性和经济性。因此宜用于在滨海沙漠、海岛、远洋船只和多雾山区等，收集空气中的水滴成为可使用的淡水，以及机场、高速公路、灯塔等周围的浓雾驱散和消除。其收集淡水的成本远低于海水淡化的成本。

附图说明

图1是本发明提供的仿生集水复合薄膜的照片；其中白点处为亲水表面区——玻璃微珠，黑色部分为疏水表面区——聚硅氧烷涂层；

图2是本发明提供的仿生集水复合薄膜的制备方法的示意图；

图3是使用本发明的仿生集水复合薄膜来收集雾水滴或驱散浓雾的装置的示意图；其中，1.升降杆，高度为7米，两杆间距为10米；2.引水管，3.盛水桶，4.固定绳，5.固定桩，6.流水槽，7.本发明提供的仿生集水复合薄膜。

具体实施方式

在以下实施例中进一步说明本发明的优点和其它细节，但实施例中引用的具体材料和用量以及其它条件和细节不应该认为是对本发明进行了不恰当的限制。除非另外说明，实施例中的所有温度均以摄氏度计，所有份数和百分数均以重量计。

实施例中用到了以下缩写：

PDMS 聚二甲基硅氧烷，Dow Corming Corporation，Dow Corning

184

PA6 聚己内酰胺，尼龙6，市购

DMF 二甲基甲酰胺，聚合物溶剂，市购

SilicaA380 二氧化硅气溶胶颗粒，平均直径为25nm，市购

对所得薄膜材料进行静态水接触角实验，使用水滴2μL，在德国产dataphisicsOCA-20视频接触角测量仪上进行。

实施例1

1)配制疏水聚合物溶液：

将PDMS的两组份(胶液——也称甲组分或A组分，和固化液——也称乙组分或B组分)按10∶1的重量份混合均匀，然后加入与胶液同等重量的醋酸丁酯，使混合体系的粘度降低，制得疏水聚合物溶液，备用；

2)配制亲水聚合物溶液：

在反应瓶中加3g的市售的二氧化硅水溶胶颗粒(平均粒径为25nm)和180g的甲酸溶液(市售)，放入超声池中充分超声分散30分钟，再加入30g尼龙6(PA6)聚合物，于40℃下溶解20min，得到掺杂了无机氧化物颗粒的亲水聚合物溶液，备用；

3)制备复合薄膜：

将步骤1)制得的PDMS溶液均匀滚涂在2×1m²的聚乙烯薄板上，干燥10分钟，形成疏水聚合物薄膜；然后将步骤2)制得的亲水聚合物溶液倒入孔径为0.5mm多孔筛桶，将多孔筛桶倾倒，并滚过还未完全干燥的疏水聚合物涂层，在涂层上形成直径为0.5mm，高度为0.5mm，突起中心点之间的距离为7mm的突起；最后，在50℃干燥3h，得到本发明的仿生集水复合薄膜。

对该薄膜材料进行静态水接触角实验，在室温对3μm的水滴测量，其亲水区域的静态接触角小于15°，而疏水区域的静态接触角大于110°。

实施例2

1)配制疏水聚合物溶液：

同实施例1的步骤1)；

2)配制亲水聚合物溶液：

在反应瓶中加6g的市售的二氧化钛水溶胶颗粒(平均粒径为50nm)和180g的甲酸溶液(市售)，机械搅拌分散30分钟，再加入30g尼龙4(PA4)聚合物，于50℃下溶解20min，得到掺杂了无机氧化物颗粒的亲水聚合物溶液，备用；

3)制备复合薄膜：

将步骤1)制得的PDMS溶液均匀滚涂在2×1m²的聚乙烯薄板上，干燥20分钟，形成疏水聚合物薄膜；然后将步骤2)制得的亲水聚合物溶液倒入孔径为0.7mm多孔筛桶，将多孔筛桶倾倒，并滚过还未完全干燥的疏水聚合物涂层，在涂层上形成直径为0.7mm，高度为0.4mm，突起中心点之间的距离为2mm的突起；最后，在50℃干燥3h，得到本发明的仿生集水复合薄膜。

对该薄膜材料进行静态水接触角实验，在室温对3μm的水滴测量，其亲水区域的静态接触角为小于10°，而疏水区域的静态接触角大于110°。

实施例3

1)配制疏水聚合物溶液：

同实施例1的步骤1)；

2)处理玻璃微珠：

将直径为0.7mm的玻璃微珠浸入5wt％的氢氟酸溶液(市售)中，在室温下处理1小时，滤出玻璃微珠，用清水洗涤玻璃微珠3次，烘干，备用；

3)制备复合薄膜；

将步骤1)制得的PDMS溶液均匀滚涂在2×1m²的聚乙烯薄板上，干燥20分钟，形成疏水聚合物薄膜；然后将步骤2)处理过的玻璃微珠倒入孔径为1mm多孔筛桶，将多孔筛桶倾倒，并滚过还未完全干燥的疏水聚合物涂层，在涂层上形成直径为0.5～0.8mm，高度为1mm，突起中心点之间的距离为3mm的突起；最后，在50℃干燥2h，得到本发明的仿生集水复合薄膜。

对该薄膜材料进行静态水接触角实验，在室温对3μm的水滴测量，其亲水区域的静态接触角小于5°，而疏水区域的静态接触角大于110°。

实施例4

1)配制疏水聚合物溶液：

将PDMS的两组份(胶液和固化液)按10∶1的重量份混合均匀，然后加入与胶液同等重量的醋酸丁酯，使混合体系的粘度降低，并加入PDMS重量的1wt％的紫外线稳定剂——双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯(商品名为光稳定剂770)，制得疏水聚合物溶液，备用；

2)处理玻璃微珠：

将直径为0.4mm的玻璃微珠浸入5wt％的氢氟酸溶液(市售)中，在室温下处理2小时，滤出玻璃微珠，用清水洗涤玻璃微珠3次，烘干，备用；

3)制备复合薄膜：

将步骤1)制得的PDMS溶液均匀滚涂在2×1m²的聚乙烯薄板上，干燥20分钟，形成疏水聚合物薄膜；然后将步骤2)处理过的玻璃微珠倒入孔径为0.1mm多孔筛桶，将多孔筛桶倾倒，并滚过还未完全干燥的疏水聚合物涂层，在涂层上形成直径为0.1mm，高度为0.2mm，突起中心点之间的距离为6mm的突起；最后，在50℃干燥2h，得到本发明的仿生集水复合薄膜。

实施例5

1)配制疏水聚合物溶液：

将PDMS的两组份(胶液和固化液)按10∶1的重量份混合均匀，然后加入与胶液同等重量的醋酸丁酯，使混合体系的粘度降低，并加入PDMS重量的0.3wt％紫外线吸收剂——2-氰基-3，3-二苯基丙烯酸2-乙基己酯，制得疏水聚合物溶液，备用；

2)处理玻璃微珠：

将直径为1.0mm的玻璃微珠浸入5wt％的氢氟酸溶液(市售)中，在室温下处理1小时，滤出玻璃微珠，用清水洗涤玻璃微珠3次，烘干，备用；

3)制备复合薄膜：

将步骤1)制得的PDMS溶液均匀滚涂在2×1m²的聚乙烯薄板上，干燥20分钟，形成巯水聚合物薄膜；然后将步骤2)处理过的玻璃微珠倒入孔径为1.5mm多孔筛桶，将多孔筛桶倾倒，并滚过还未完全干燥的疏水聚合物涂层，在涂层上形成直径为1.5mm，高度为0.6mm，突起中心点之间的距离为5mm的突起；最后，在50℃干燥2h，得到本发明的仿生集水复合薄膜。

实施例6

1)配制疏水聚合物溶液：

将PDMS的两组份(胶液和固化液)按10∶1的重量份混合均匀，然后加入与胶液同等重量的醋酸丁酯，使混合体系的粘度降低，并加入PDMS重量的0.2wt％的臭氧稳定剂——苯酚三嗪和PDMS重量的0.7wt％的抗氧化剂——2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚(商品名Ultranox^TM 226)，制得疏水聚合物溶液，备用；

2)配制亲水聚合物溶液：

在反应瓶中加21g的市售的二氧化钛水溶胶颗粒(平均粒径为1μm)和180g的甲酸溶液(市售)，机械搅拌分散30分钟，再加入30g聚乙烯吡咯烷酮，于40℃下溶解20min，得到掺杂了无机氧化物颗粒的亲水聚合物溶液，备用；

3)制备复合薄膜：

将步骤1)制得的PDMS溶液均匀滚涂在2×1m²的聚乙烯薄板上，干燥20分钟，形成疏水聚合物薄膜；然后将步骤2)制得的亲水聚合物溶液倒入孔径为0.7mm多孔筛桶，将多孔筛桶倾倒，并滚过还未完全干燥的疏水聚合物涂层，在涂层上形成直径为0.7mm，高度为0.3mm，突起中心点之间的距离为4mm的突起；最后，在50℃干燥2h，得到本发明的仿生集水复合薄膜。

实施例7

本发明提供的使用实施例1制备的仿生集水复合薄膜来收集雾水滴或驱散浓雾的装置，如图3所示，包括：2根由小电机驱动的升降杆1，升降杆的高度为10米，间距为12米。两杆之间安装了四根水平的塑料流水槽6，其宽度为15cm，流水槽的间距为1米。流水槽的一端连接于塑料引水管2，其内径为Φ20mm。引水管2接入下面的Φ100×80m³盛水桶3中；流水槽6之间垂直安装实施例1制备的的仿生集水复合薄膜7；升降杆1由固定绳4和固定桩5固定。升降杆通过功率为100瓦的电动机驱动升降，同时带动流水槽、集水板和引水管随之升降。

使用本装置，在15℃、相对湿度90％的条件下，一个面积为0.5m²的集水复合薄膜在一昼夜能集水30～50升淡水，具有比较高的集水效率。

Claims

1、一种仿生集水复合薄膜的制备方法，包括如下的步骤：

1)配制疏水聚合物溶液：

将聚二甲基硅氧烷的两组份的胶液和固化液按10∶1的重量份混合均匀，然后加入与胶液同等重量的醋酸丁酯，制得疏水聚合物溶液；

2)处理玻璃微珠：

3)配制亲水聚合物溶液：

将无机氧化物颗粒加入甲酸溶液中，机械搅拌或超声搅拌使体系分散均匀，再加入亲水聚合物，于40～50℃下20min，得到掺杂了无机氧化物颗粒的亲水聚合物溶液，备用；亲水聚合物中的胶体无机氧化物颗粒的掺杂量为10～70wt％；甲酸的加入量与亲水聚合物的重量比为9∶1；

4)制备复合薄膜：

将步骤1)制得的疏水聚合物溶液采用常规方法均匀涂覆在基底上，干燥10～20分钟，形成疏水聚合物薄膜；然后将步骤2)处理过的玻璃微球或是步骤3)制得的亲水聚合物溶液倒入多孔筛桶，将多孔筛桶倾倒，并滚过疏水聚合物涂层，在涂层上形成直径为0.1～1.5mm，高度为0.2～1mm，突起中心点之间的距离为2～7mm的突起；最后，在50℃干燥2～3h，得到本发明的仿生集水复合薄膜。

2、如权利要求1所述的仿生集水复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述的亲水聚合物是含有酰胺基、羟基或羧基的聚合物；所述的无机氧化物颗粒为市售的胶体二氧化钛或胶体二氧化硅的分散体，其平均粒径为1～100nm；所述的基底材料为玻璃或塑料片。

3、如权利要求1所述的仿生集水复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述的疏水聚合物的涂覆方式为喷涂、刮涂、浸涂或辊涂。

4、如权利要求1所述的仿生集水复合薄膜的制备方法，其特征在于：还包括在疏水聚合物薄膜层中加入选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂中一种或多种。