CN103213288A

CN103213288A - 一种液滴靶向收集材料的制备方法及其应用

Info

Publication number: CN103213288A
Application number: CN2013101483391A
Authority: CN
Inventors: 薛焱; 郑咏梅; 陈媛
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: CN103213288B

Abstract

本发明公开了一种液滴靶向收集材料的制备方法及其应用，属于化学仿生技术领域。本发明通过纤维的固定；制备质量分数为9～13%的聚合物溶液；变速提拉纤维产生梯度突起节和最后干燥的步骤，具有不同模式的大小梯度突起节的纤维。本发明制备方法简单，可操作性强，对环境无任何伤害；所使用的聚合物具有良好的户外稳定性，不易降解，耐用，可延长所述收集材料的使用年限；制备得到的纤维材料可以实现液滴定向传输，靶向收集，实现在定点处液滴坠落，可以应用于医疗药物传输、物理传感器、电子开关，微流体液体的传输等领域，成本低、方法简单、应用范围广。

Description

一种液滴靶向收集材料的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于化学仿生技术领域，具体涉及一种液滴靶向收集材料的制备方法及其应用。

背景技术

全球与饮用水缺乏有关的疾病正导致每20秒死亡一个儿童，全球一年因此牺牲150万条生命。水相当缺乏这一科学认知的事实已有很长时间，但新增需求又导致另一个疑问，至今存在的全球性饮用水危机是从何时开始的。在世界各地，慢性缺水正日积月累，比如中东地区，新增需求正考验着政治决策者，并可能成为新冲突诱因。如以色列，克服干旱已超过10年，其农业合理用水相当成功。由于淡水缺乏和海水淡化占需求的三分之一，政府被迫减少一半农业用水，并研究水的循环使用。非洲情况非常复杂，乍得湖为3000万人提供了水源，但仅在一代人的时间内，湖面已经缩小了十分之一，对此卫星图像清晰可见。

《自然杂志》登载的一篇研究文章指出了解决地球水危机的可行办法。饮用水只相当于地球水源的3%，其中2/3是冰川，目前正在因全球变暖而消融，冰川表面的水相当于饮用水的1%，或占总水源的0.03%，而0.03%中的2%是河流中的水。这份研究报告认为，气候变化正在导致水源缺乏，农业必须减少对水的消耗，比如在美国，农业用水占到可饮用水的40%。

海水淡化是一个耗费能源的过程，消毒技术又引起环境问题，而且还是一个经济问题，尤其对贫穷国家更甚。饮用水缺乏还是导致贫穷的原因之一，除此之外，所有病因中的6%是因为缺乏安全水和基础卫生。对联合国实现2015年目标所持悲观度不要感到吃惊，根据联合国秘书长在世界水日发表的一份文告，2015年，全球21亿人将得不到基础卫生保障，按照现在的节奏，撒哈拉以南非洲国家在2076年以前也无法实现联合国确定的目标。

自然界中的生物经过长期的进化过程获得了在极度缺水环境中生存的本领。仿生制备低能耗、高效率、环境友好的新型集水材料有望成为解决水资源匮乏问题的新途径。公开号CN102162191A的专利申请中公开了一种淡水收集纤维的制法，但是纤维材料是均匀的结，液滴在两个结处直接聚合直至坠落，没有传输的过程，集水效率不高，限制了所述淡水收集纤维在实际中的应用。

发明内容

针对现有技术中集水效率不高，无法满足广大缺水地区对水的需要，且成本高、不环保、应用局限性等的缺陷，本发明提出一种液滴靶向收集材料的制备方法及其应用，可以在高效的收集空气中的微小水滴的基础上，实现液滴的定向传输及靶向收集，更利于其实际应用。

本发明提出的一种液滴靶向收集材料的制备方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：纤维的固定：

将纤维一端固定，另一端水平穿过一个液槽后固定在电机上。纤维平均直径优选30～130μm，固定纤维前先用丙酮清洗纤维表面。

步骤二：制备质量分数为9～13%的聚合物溶液：

将聚合物添加至有机溶剂中，搅拌24h以上，得到澄清透明聚合物溶液，聚合物溶液质量百分比浓度为9～13%。所述的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺（DMA）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）或四氢呋喃中的任意一种；所述的溶质为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚四氟乙烯（PTFE）或聚偏氟乙烯（PVDF）中的任意一种。所述聚合物溶液中还可以加入挥发性溶剂，所述挥发性溶剂在聚合物溶液中的质量百分比为8～15%。

步骤三：变速提拉产生梯度突起节：

在液槽中浸满溶液，液面足以覆盖纤维，以±1～3mm/s²的加速度进行匀变速提拉，整个提拉过程，最大速率最好不超过6mm/s。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥5min以上，得到具有不同模式的大小梯度突起节的纤维。干燥条件优选为湿度为40%～80%，温度为20～30℃。

应用本发明提出的一种液滴靶向收集材料的制备方法得到液滴靶向收集材料，所述的液滴靶向收集材料可用于编织成仿生淡水采集纤维网，网格面积优选为0.25～1cm²，该仿生淡水采集纤维网在90%湿度下收集水滴时，水滴会在纤维上梯度突起节之间进行液滴的传输，最后靶向聚集到某点；所述的液滴靶向收集材料也可以应用于微流体装置中流体的定向传输；医学中靶向传输药物；物理领域的传感器和可逆开关等。

本发明具有的优点在于：

1、本发明提供的一种液滴靶向收集材料制备方法，过程简单，可操作性强，对环境无任何伤害；

2、本发明提供的一种液滴靶向收集材料制备方法，所使用的聚合物具有良好的户外稳定性，不易降解，耐用，可延长所述收集材料的使用年限；

3、本发明提供的一种液滴靶向收集材料制备方法，制备得到的纤维表面的梯度突起节大小可控，梯度突起节表面具有更微观的突起或微孔，增加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；

4、本发明提供的一种液滴靶向收集材料制备方法，利用该制备方法制备得到的纤维材料可以实现液滴定向传输，靶向收集，实现在定点处液滴坠落，可以应用于医疗药物传输、物理传感器、电子开关，微流体液体的传输等领域，成本低、方法简单、应用范围广。

附图说明

图1：本发明提供的液滴靶向收集材料制备方法的装置图；

图2-A：本发明提供的液滴靶向收集材料在光学显微镜下的单向梯度突起节纤维结构图;

图2-B：本发明提供的液滴靶向收集材料的扫描电镜下的突起节中间表面结构图；

图2-C：本发明提供的液滴靶向收集材料的扫描电镜下的突起节末端表面结构图；

图3-A：本发明提供的液滴靶向收集材料单向梯度突起节上液滴靶向收集示意图；

图3-B：本发明提供的液滴靶向收集材料双向梯度突起节上液滴靶向聚合收集示意图；

图3-C：本发明提供的液滴靶向收集材料双向梯度突起节上液滴靶向分离收集示意图；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的一种液滴靶向收集材料的制备方法，结合图1装置图所示，具体包括以下几个步骤：

步骤一：纤维的固定：

实验装置如图1所示，由纤维固定装置1、液槽2、电机3及升降台4等组成。纤维5的一端固定在纤维固定装置1上，纤维5的另一端从液槽2的小孔中水平穿过，连接到电机3上。所述的电机3固定在升降台4上，通过调整升降台4可以使得纤维5穿出端倾斜某个角度a。所述的角度a选取为偏离水平0～90度之间。纤维5平均直径优选为30～130μm，固定纤维5前先用丙酮清洗纤维5表面，除去附着于纤维5表面的尘埃。所述的纤维5为合成纤维、人造纤维或无机高分子纤维。选择合成纤维时，优选为尼龙纤维，选择人造纤维时，优选铜氨纤维，选择无机高分子纤维时，优选碳纤维。当优选为尼龙纤维时，尼龙纤维平均直径优选为70～130μm，进一步优选为110μm；当优选为铜氨纤维时，铜氨纤维的平均直径优选为30～100μm，进一步优选75μm；当优选为碳纤维时，碳纤维的平均直径优选为40～70μm，进一步优选为50μm。

所述的液槽2的结构如图1所示，是一个上表面开口的槽型结构，相对的两个竖直侧面上开有小孔，所述小孔的连线平行于液槽2底面。所述小孔的孔径600～1200μm，优选900μm。

步骤二：制备质量分数为9～13%的聚合物溶液：

将聚合物添加至有机溶剂中，搅拌24h以上，得到澄清透明聚合物溶液，所述的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺（DMA）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）或四氢呋喃中的任意一种；所述的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚四氟乙烯（PTFE）或聚偏氟乙烯（PVDF）中的任意一种。

优选的，在制备聚合物溶液中还含有挥发性溶剂（优选为丙酮或乙醇），挥发性溶剂在聚合物溶液中的溶质质量分数满足8～15%，优选为10%。

步骤三：变速提拉产生梯度突起节：

在液槽2中浸满聚合物溶液，液面足以覆盖纤维5，以0mm/s～6mm/s为初速度，±1～3mm/s²的加速度进行匀变速提拉，在纤维表面覆盖聚合物，整个提拉过程，最大速率最好不超过6mm/s。

步骤四：干燥：

变速提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥，得到具有不同模式的大小梯度突起节6的纤维。干燥条件优选为湿度为40%～80%，温度为20～30℃，时间5min以上。在变速提拉过程中，提拉速度越大，纤维上形成突起节的尺寸越大，因此可以通过调整提拉速度，在纤维表面形成从大到小或从小到大模式的梯度突起节。

利用本发明提出的方法制备的液滴靶向收集材料的梯度突起节6在未干燥时的高度为120～580μm，突起节6的长度为230～850μm，如图2-A。该液滴靶向收集材料的突起节6的表面为微纳米结构，当在聚合物溶液中加入8～15%的挥发性溶剂，突起节6表面呈孔状结构，这种孔状粗糙结构有利于水滴在单个突起节上的水凝结及多个节的水长程传输，如图2-B和2-C。

应用本发明提出的一种液滴靶向收集材料的制备方法，可以得到如图3-A、3-B和3-C所示的三种模式的梯度节纤维。图3-A、3-B和3-C中的三个图实现了液滴的定向长程传输，及靶向收集，可以任意的实现液滴的聚合、分离等目的，并在理想的位置进行收集。

本发明提供的液滴靶向收集材料可以应用在淡水收集方面，编织成纤维网，液滴在很多突起节的节点处凝结，最后传输到淡水收集装置的位置，并在此处实现最终的聚合收集，解决了以前淡水收集材料液滴任意坠落，不利于收集的难题。

本发明提供的液滴靶向收集材料还可以应用在传感器领域，正是由于液滴的长程传输，在定点处的靶向收集，可以实现利用液滴在顶点处的大小实现可逆开关、传感等的应用。

本发明提供的液滴靶向收集材料还可以应用在微反应器上，反应物经过长程传输，浓度、成分可能会发生变化，在定点处使反应以一种理想的速率进行，进而减少副反应的发生。

本发明提供的液滴靶向收集材料制备方法的步骤三中，梯度突起节的周期长度，节点个数和大小都会受到聚合物浓度以及提拉加速度的影响。对于达到同一个速率来说，聚合物溶液浓度越大，提拉加速度越大，梯度突起节周期越短，个数少，梯度明显；反之周期长，个数多，梯度不明显。聚合物浓度越大，所得到的梯度突起节整体变大，间距变大，不利于液滴在突起节之间的传输，浓度太大，由于粘性只能形成梯度膜，膜不再破裂；聚合物浓度越低，梯度突起节越小梯度变化不明显，浓度太小，梯度膜很薄，也不会破裂，不会形成梯度突起节结构。

实施例1：在尼龙纤维表面制备单向由小到大梯度突起节。

步骤一：纤维固定：

把纤维5一端固定在纤维固定装置1上，另一端水平穿过液槽2，并连接在电机3上，固定好的纤维5处于水平位置。纤维5选用平均直径110μm的尼龙纤维，用丙酮清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。

步骤二：制备质量分数为11%的聚合物溶液：

将11重量份聚偏氟乙烯PVDF溶解于89重量份N,N-二甲基甲酰胺DMF溶剂中，搅拌24h令其变成澄清透明溶液，得到聚合物溶液。

步骤三：变速提拉产生突起节：

在液槽2中浸满聚合物溶液，聚合物溶液的液面足以覆盖纤维，以0mm/s初速度，+1mm/s²的加速度进行匀变速提拉，整个提拉过程，最大速率不超过6mm/s。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物突起节的纤维进行干燥，得到具有由小变大梯度突起节的纤维。干燥条件为湿度为80%，温度为20℃，时间6min。

所得到的尼龙纤维上突起节结构如图3-A所示，形成单向突起节模式。

实施例2：在铜氨纤维表面制备单向由小到大梯度突起节。

步骤一：纤维的固定：

把纤维水平穿过液槽，纤维选用平均直径75μm的铜氨纤维，用丙酮清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。

步骤二：制备质量分数为10%的聚合物溶液：

将10重量份聚偏氟乙烯PVDF溶解于90重量份N,N-二甲基甲酰胺DMF溶剂中，搅拌24小时令其变成澄清透明溶液，得到聚合物溶液。

步骤三：变速提拉产生突起节：

在液槽中浸满步骤二中制备的聚合物溶液，液面足以覆盖纤维，以0mm/s为初速度，+2mm/s²的加速度进行匀变速提拉，整个提拉过程，最大速率不超过6mm/s。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥，得到具有由小变大梯度突起节的纤维。干燥条件为湿度为50%，温度为20℃，时间8min。

实施例3：在碳纤维表面制备单向由大到小梯度突起节。

步骤一：纤维的固定：

把纤维水平穿过液槽，纤维选用平均直径50μm的碳纤维，用丙酮清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。

步骤二：制备质量分数为12%的聚合物溶液：

将12重量份聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶解于88重量份N,N-二甲基乙酰胺DMA溶剂中，搅拌24小时令其变成澄清透明溶液，得到聚合物溶液。

步骤三：变速提拉产生突起节：

在液槽中浸满步骤二中的聚合物溶液，液面足以覆盖纤维，以6mm/s为初速度，-2mm/s²的加速度进行匀变速提拉。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥，得到具有由大变小梯度突起节的纤维。干燥条件为湿度为50%，温度为25℃，时间9min。

实施例4：在碳纤维表面制备由大变小梯度突起节。

步骤一：纤维的固定：

把纤维水平穿过液槽，纤维选用平均直径70μm的碳纤维，用丙酮清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。

步骤二：制备质量分数为10%的聚合物溶液：

将10重量份聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶解于90重量份N,N-二甲基乙酰胺DMA溶剂中，搅拌24小时令其变成澄清透明溶液，得到聚合物溶液。

步骤三：变速提拉产生突起节：

在液槽中浸满聚合物溶液，液面足以覆盖纤维，以6mm/s为初速度，-3mm/s²的加速度进行匀变速提拉。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥，得到具有由大变小梯度突起节的纤维。干燥条件为湿度为50%，温度为25℃，时间10min。

实施例5：在尼龙纤维表面制备中间大两边小的梯度突起节。

步骤一：纤维的固定：

把纤维水平穿过液槽，纤维选用平均直径130μm的尼龙纤维，用丙酮清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。

步骤二：制备质量分数为9%的聚合物溶液：

将9重量份聚偏氟乙烯PVDF溶解于83重量份四氢呋喃和8重量份的丙酮溶剂中，搅拌24小时令其变成澄清透明溶液，得到聚合物溶液。

步骤三：变速提拉产生突起节：

在装液槽中浸满聚合物溶液，液面足以覆盖纤维，以0mm/s为初速度，+2mm/s²为加速度，直到速度为4mm/s，再以-2mm/s²的加速度直至速度为0mm/s，进行连续的匀变速提拉。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥7min，得到具有中间大两边小的梯度突起节的纤维，如图3-B所示。干燥条件为湿度为55%，温度为20℃。

实施例6：在尼龙纤维表面制备中间大两边小的梯度突起节的纤维

步骤一：纤维的固定：

把纤维水平穿过液槽，纤维选用平均直径70μm的尼龙纤维，用丙酮清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。

步骤二：制备质量分数为12%的聚合物溶液：

将12重量份聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶解于78重量份四氢呋喃和10重量份的丙酮溶剂中，搅拌24小时令其变成澄清透明溶液，得到聚合物溶液。

步骤三：变速提拉产生突起节：

在液槽中浸满聚合物溶液，液面足以覆盖纤维，以0mm/s为初速度，+3mm/s²的加速度直到速度为6mm/s，再以-3mm/s²的加速度直至速度为0mm/s，进行连续的匀变速提拉。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥11min，得到具有中间大两边小的梯度突起节的纤维。干燥条件为湿度为65%，温度为25℃。

实施例7：在铜氨纤维表面制备单中间大两边小的突起节的纤维。

步骤一：纤维的固定：

把纤维水平穿过液槽，纤维选用平均直径100μm的铜氨纤维，用丙酮清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。

步骤二：制备质量分数为9%的聚合物溶液：

将9重量份聚四氟乙烯PTFE溶解于76重量份四氢呋喃和15重量份的乙醇溶剂中，搅拌24小时令其变成澄清透明溶液，得到聚合物溶液。

步骤三：变速提拉产生突起节：

在装置槽中浸满溶液，液面足以覆盖纤维，以0mm/s为初速度，+2mm/s²为加速度，直到速度为6mm/s，再以-3mm/s²的加速度直至速度为0mm/s进行匀变速提拉，最大速率不超过6mm/s。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥10min，得到具有中间大两边小模式的突起节的纤维。干燥条件为湿度为70%，温度为25℃。

实施例8：

步骤一：纤维的固定：

把纤维水平穿过液槽，纤维选用平均直径40μm的碳纤维，用丙酮清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。

步骤二：制备质量分数为11%的聚合物溶液：

将11重量份聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶解于79重量份四氢呋喃和10重量份的乙醇溶剂中，搅拌24小时令其变成澄清透明溶液，得到聚合物溶液。

步骤三：变速提拉产生突起节：

在液槽中浸满聚合物溶液，液面足以覆盖纤维，以4mm/s为初速度，分别以-2mm/s²和+3mm/s²的加速度进行匀变速提拉，整个提拉过程最大速率不超过6mm/s。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥，得到具有中间小两边大模式突起节的纤维，如图3-C。干燥条件为湿度为80%，温度为30℃。

实施例9：

步骤一：纤维的固定：

把纤维水平穿过液槽，纤维选用平均直径30μm的铜氨纤维，用丙酮清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。

步骤二：制备质量分数为13%的聚合物溶液：

将13重量份聚四氟乙烯PTFE溶解于87重量份N,N-二甲基甲酰胺DMF溶剂中，搅拌24h令其变成澄清透明溶液，得到聚合物溶液。

步骤三：变速提拉产生突起节：

在装置槽中浸满溶液，液面足以覆盖纤维，以6mm/s为初速度，以-3mm/s²为加速度至速度为0mm/s，再以+1mm/s²的加速度进行匀变速提拉，整个提拉过程最大速率不超过6mm/s。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥15min，得到具有中间小两边大突起节的纤维。干燥条件为湿度为40%，温度为20℃。

Claims

1.一种液滴靶向收集材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：纤维的固定：

将纤维一端固定，另一端水平穿过一个液槽后固定在电机上；

步骤二：制备质量分数为9～13%的聚合物溶液：

将聚合物添加至有机溶剂中，搅拌24h以上，得到澄清透明聚合物溶液，聚合物溶液质量百分比浓度为9～13%；

步骤三：变速提拉产生梯度突起节：

在液槽中浸满溶液，液面足以覆盖纤维，以±1～3mm/s²的加速度进行匀变速提拉，整个提拉过程，最大速率不超过6mm/s；

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥，得到具有不同模式的梯度突起节的纤维。

2.根据权利要求1所述的一种液滴靶向收集材料的制备方法，其特征在于：所述纤维为合成纤维、人造纤维或无机高分子纤维，纤维平均直径30～130μm，固定纤维前先用丙酮清洗纤维表面。

3.根据权利要求1所述的一种液滴靶向收集材料的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺或四氢呋喃中的任意一种；所述的有机溶质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种液滴靶向收集材料的制备方法，其特征在于：所述聚合物溶液中还包括挥发性溶剂，所述挥发性溶剂在聚合物溶液中的质量百分比为8～15%。

5.根据权利要求1所述的一种液滴靶向收集材料的制备方法，其特征在于：所述匀变速提拉的初速度为0mm/s～6mm/s。

6.根据权利要求1所述的一种液滴靶向收集材料的制备方法，其特征在于：所述的干燥的条件为湿度为40%～80%，温度为20～30℃，时间5min以上。

7.一种液滴靶向收集材料，其特征在于：纤维表面具有不同模式的梯度突起节，在未干燥时，梯度突起节的高度为120～580μm，长度为230～850μm，突起节的表面为微纳米结构，当在聚合物溶液中加入挥发性溶剂，突起节表面呈孔状结构。

8.一种液滴靶向收集材料的应用，其特征在于：所述的液滴靶向收集材料用于编织成仿生淡水采集纤维网，网格面积为0.25～1cm²；或者应用于微流体装置中流体的定向传输；或者应用于医学中靶向传输药物；或者应用于物理领域的传感器和可逆开关。