CN104445042B - 一种雾气收集复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雾气收集复合材料及其制备方法，该复合材料包括：聚二甲基硅氧烷基底以及设于该基底上的多个二氧化硅微球；聚二甲基硅氧烷基底上分布有多个凹坑，从而在相邻的凹坑之间形成多条凸棱；二氧化硅微球设于凸棱的交汇处，并且每个凸棱的交汇处至多设置一个二氧化硅微球。本发明实施例的雾气收集复合材料实现了超疏水－超亲水单元的相互间隔，提高了雾气收集效率；而该雾气收集复合材料的制备方法不仅能够对超疏水基底上的超亲水单元的间距进行有效调控，以获得雾气收集效率的优化，而且该制备方法简单、易于实现、成本低廉。

Description

一种雾气收集复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及亲水、疏水材料领域，尤其涉及一种雾气收集复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，全球有很多地区的人们仍然饱受水资源匮乏的困扰。如果通过修建庞大复杂的水利工程来解决此问题，不仅需要巨额投资，而且需要花费相当长的时间。雾气中蕴藏了大量水分，但这些水分大都无法有效利用。然而，研究人员受到纳米比亚沙漠甲壳虫的背部结构所启发，开始研制仿生的雾气收集材料，以期望对雾气中的水分进行有效的收集利用。

在现有技术中，存在一些关于雾气收集材料及其合成方法的报道，但这是这些雾气收集材料及其合成方法至少存在以下缺点：第一，现有的雾气收集材料只是亲水－疏水单元相互间隔的结构，没有超亲水单－超疏水单元相互间隔的结构，因此雾气收集效率较低；第二，疏水基底上的亲水单元之间的间距不能有效调解，因此无法对雾气收集效率进行优化；第三，现有雾气收集材料的合成方法复杂、合成成本高，很难获得大面积、低成本的亲水－疏水单元相互间隔的雾气收集材料。

发明内容

针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种雾气收集复合材料及其制备方法；该雾气收集复合材料实现了超疏水－超亲水单元的相互间隔，提高了雾气收集效率；而该雾气收集复合材料的制备方法不仅能够对超疏水基底上的超亲水单元的间距进行有效调控，以获得雾气收集效率的优化，而且制备方法简单、成本低廉、易于实现。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种雾气收集复合材料，其具体结构包括：聚二甲基硅氧烷基底以及设于该基底上的多个二氧化硅微球；聚二甲基硅氧烷基底上分布有多个凹坑，从而在相邻的凹坑之间形成多条凸棱；二氧化硅微球设于凸棱的交汇处，并且每个凸棱的交汇处至多设置一个二氧化硅微球。

优选地，二氧化硅微球在聚二甲基硅氧烷基底上呈六方排列。

优选地，相邻两个二氧化硅微球之间的距离为0.2～30微米。

优选地，二氧化硅微球的直径为0.4～40微米。

优选地，聚二甲基硅氧烷基底的厚度为10微米～5毫米，而凹坑的深度最好是聚二甲基硅氧烷基底的厚度的0.1％～50％。

优选地，在聚二甲基硅氧烷基底的表面设有一层由C-F键构成的低表面自由能疏水层。

一种雾气收集复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，采用自组织方法在聚二甲基硅氧烷基底上合成由紧密接触的二氧化硅微球构成的二氧化硅单层胶体球晶体阵列；

步骤二，以四氟化碳作为反应气体，并采用反应离子刻蚀方法对附着有二氧化硅微球的聚二甲基硅氧烷基底进行刻蚀处理；在刻蚀处理完成后，即得到超疏水－超亲水单元相互间隔的雾气收集复合材料。

优选地，在步骤二中，四氟化碳的流量为10～300毫升/分钟，刻蚀功率为20～500瓦，刻蚀时间为1～10小时。

优选地，二氧化硅微球在聚二甲基硅氧烷基底上呈六方排列，并且在进行刻蚀处理前，二氧化硅微球的直径为1～50微米。

优选地，聚二甲基硅氧烷基底的厚度为10微米～5毫米。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例所提供的雾气收集复合材料采用刻蚀处理后的二氧化硅微球构成超亲水单元，从而高效率地吸收雾气中的水分；又采用刻蚀处理形成的聚二甲基硅氧烷基底上的凹槽凹坑构成超疏水单元，从而使二氧化硅微球所吸收的水分能够通过聚二甲基硅氧烷基底快速导出；由于聚二甲基硅氧烷基底上分布多个超疏水的凹坑，而多个超亲水的二氧化硅微球均设于凹坑间凸棱交汇处，因此凹坑与二氧化硅微球之间形成了相互间隔的结构，即形成了超疏水－超亲水单元相互间隔的雾气收集结构，因此本发明实施例所提供的雾气收集复合材料能够高效收集雾气。该雾气收集复合材料的制备方法可以通过增加四氟化碳的流量、提高刻蚀功率或增加刻蚀时间中的任意一种或几种方式来增加刻蚀效果，不仅能使聚二甲基硅氧烷基底的凹坑深度变得更深，而且能使二氧化硅微球的直径变得更小，使相邻二氧化硅微球之间的间距变得更大，因此该雾气收集复合材料的制备方法能够对超疏水基底上的超亲水单元的间距进行有效调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的雾气收集复合材料制备方法的示意图。

图2为本发明实施例提供的雾气收集复合材料的结构示意图一。

图3为本发明实施例提供的雾气收集复合材料的结构示意图二。

图4为本发明实施例提供的雾气收集复合材料的电镜扫描图一。

图5为本发明实施例提供的雾气收集复合材料的电镜扫描图二。

图6为本发明实施例提供的雾气收集复合材料的电镜扫描图三。

图7为本发明实施例提供的雾气收集复合材料的电镜扫描图四。

图8为本发明实施例提供的雾气收集复合材料的电镜扫描图五。

图9为本发明实施例提供的雾气收集复合材料的电镜扫描图六。

图10为本发明实施例提供的雾气收集复合材料的X射线光电子能图谱一。

图11为本发明实施例提供的雾气收集复合材料的X射线光电子能图谱二。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明所提供的雾气收集复合材料及其制备方法进行详细描述。

(一)一种雾气收集复合材料

如图2至图11所示，一种雾气收集复合材料，其具体结构包括：聚二甲基硅氧烷基底(PDMS)以及设于该基底上的多个二氧化硅微球；聚二甲基硅氧烷基底上分布有多个凹坑，从而在相邻的凹坑之间形成多条凸棱；二氧化硅微球设于凸棱的交汇处，并且每个凸棱的交汇处至多设置一个二氧化硅微球。

其中，该雾气收集复合材料的具体实施方式可以包括：

(1)二氧化硅微球是经过四氟化碳气体刻蚀处理过的，表面粗糙，具有超亲水特性，能够高效率地吸收雾气中的水分。在实际应用中，这些二氧化硅微球最好在聚二甲基硅氧烷基底上平均分布，并且最好是呈六方排列，这是因为均布二氧化硅微球可以使聚二甲基硅氧烷基底上各方位的吸收水分能力达到均衡，而且在该复合材料的制备过程中，六方排列的二氧化硅微球比较容易制备。

(2)凹槽是设有二氧化硅微球的聚二甲基硅氧烷基底经四氟化碳气体刻蚀处理而成，表面粗糙，具有超疏水特性，能够将二氧化硅微球所吸收的水分快速导出。在实际应用中，聚二甲基硅氧烷基底上的凹槽最好是紧密而均匀地分布在聚二甲基硅氧烷基底上，这可以使聚二甲基硅氧烷基底上各方位的疏水能力达到均衡。

(3)相邻两个二氧化硅微球之间的距离为0.2微米～30微米，这一距离好处是即使在天气干冷的沙漠，收集到的微量水滴也可以被收集，如果相邻两个二氧化硅微球之间的距离过大，则亲水单元从空气中收集水分的效率会降低；如果相邻两个二氧化硅单层胶体球晶体二氧化硅微球之间的距离过小，则亲水单元收集到的水分很难被有效导出、收集。

(4)二氧化硅微球的直径为0.4微米～40微米，这一直径的二氧化硅微球不仅可以较好地收集水分，而且制成过程比较简单、纯度较高、成本较低；如果二氧化硅微球的直径过大，则不仅不利于有效收集水分，而且制备过程复杂、纯度没有保证，价格相对比较昂贵；如果二氧化硅微球的直径过小，则不利于收集到水分的导出，因此二氧化硅微球过大或过小都不利于空气中水气的收集。

(5)聚二甲基硅氧烷基底的厚度最好为10微米～5毫米，如果聚二甲基硅氧烷基底的厚度过大，从经济上来讲不合算；如果聚二甲基硅氧烷基底的厚度过小，则可能在刻蚀处理过程中把聚二甲基硅氧烷基底在凹坑处刻蚀通透。

(6)凹坑的深度最好是聚二甲基硅氧烷基底的厚度的0.1％～50％；凹坑是在刻蚀二氧化硅微球时，与二氧化硅微球间的间隙同时出现的，所以凹坑的深度与二氧化硅微球间隙有必然联系，例如：如果相邻二氧化硅微球之间的间隙为2μm左右，那么二氧化硅间隙处的凹坑必然在5μm左右，这个凹坑恰好可以实现表面超疏水的目的；如果凹坑太浅，则二氧化硅微球之间的间隙肯定很小，达不到收集雾气的作用；如果凹坑太深，则刻蚀时间肯定很长，二氧化硅微球的外形遭到刻蚀离子的严重破坏，也不能起到收集雾气的效果。

(7)在聚二甲基硅氧烷基底的表面最好设置一层由C-F键构成的低表面自由能疏水层，以提高聚二甲基硅氧烷基底的疏水性能；这是因为在刻蚀处理过程中，辉光放电产生的游离氟离子很容易取代聚二甲基硅氧烷中(-CH3)的(-H)形成C-F键，而取代程度不一定相同，但均可以降低表面自由能、增强表面的疏水性，从而在聚二甲基硅氧烷基底表面形成低表面自由能疏水层。

具体地，该雾气收集复合材料的原理如下：由于合成好的二氧化硅微球表面有很多羟基(-OH)，所以二氧化硅微球表面原来就具有超亲水的性质；这些二氧化硅微球经过四氟化碳气体刻蚀处理后，表面粗糙，依然是一种超亲水单元，能够高效率地吸收雾气中的水分。又因为聚二甲基硅氧烷基底原本的平滑表面的本征接触角约为110°，是疏水界面，在经过四氟化碳气体的刻蚀处理后，聚二甲基硅氧烷基底上会形成紧密分布的粗糙凹坑结构，这会进一步提升聚二甲基硅氧烷基底的疏水性能；同时，在刻蚀处理过程中，活性氟离子与聚二甲基硅氧烷基底的表面活性基团会形成C-F键，从而使凹坑的表面形成了低表面自由能的疏水层，因此聚二甲基硅氧烷基底是超疏水单元，二氧化硅微球所吸收的水分会通过聚二甲基硅氧烷基底快速导出。由于聚二甲基硅氧烷基底上分布多个超疏水的凹坑，而多个超亲水的二氧化硅微球均设于凹坑间凸棱交汇处，因此凹坑与二氧化硅微球之间形成了相互间隔的结构，即形成了超疏水－超亲水单元相互间隔的雾气收集结构，因此本发明实施例所提供的雾气收集复合材料能够高效收集雾气。

综上可见，本发明实施例的雾气收集复合材料实现了超疏水－超亲水单元的相互间隔，提高了雾气收集效率。

(二)一种雾气收集复合材料的制备方法

如图1至图11所示，一种雾气收集复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

步骤一，采用自组织方法在聚二甲基硅氧烷基底上合成由紧密接触的二氧化硅微球构成的二氧化硅单层胶体球晶体阵列。

具体地，该步骤具体可以包括如下具体实施方案：

(1)聚二甲基硅氧烷基底的厚度最好为10微米～5毫米，如果聚二甲基硅氧烷基底的厚度过大，从经济上来讲不合算；如果聚二甲基硅氧烷基底的厚度过小，则可能在步骤二刻蚀的过程中把二甲基硅氧烷基底在凹坑处刻蚀通透；在实际应用中，该聚二甲基硅氧烷基底最好采用现有技术中的原位聚合方法在玻璃基板表面合成。由于原位聚合方法和自组织方法均为现有技术中的常规方法，因此本申请文件中不再赘述。

(2)在聚二甲基硅氧烷基底上合成的最好是大面积的二氧化硅单层胶体球晶体阵列，并且构成二氧化硅单层胶体球晶体阵列的二氧化硅微球最好呈紧密接触的六方排列。其中，所述的大面积是指100平方厘米以上，大面积的胶体晶体有利于获得大尺度的雾气收集材料，从而实现雾气收集的实际应用。所述的紧密接触是指相邻两个二氧化硅微球的球心距等于两者的半径之和，如图1所示，二氧化硅微球2设于聚二甲基硅氧烷基底1上，并且相邻两个二氧化硅微球2紧密接触。

步骤二，以四氟化碳作为反应气体，并采用反应离子刻蚀方法对附着有二氧化硅微球2的聚二甲基硅氧烷基底1进行刻蚀处理；在刻蚀处理完成后，即得到如图2和图3所示的超疏水－超亲水单元相互间隔的雾气收集复合材料。

具体地，在刻蚀处理过程中，四氟化碳气体不仅会对二氧化硅微球进行刻蚀，使二氧化硅微球直径变小、表面粗糙，而且会以二氧化硅微球为掩膜，对二氧化硅微球之间暴露的聚二甲基硅氧烷基底进行刻蚀，使聚二甲基硅氧烷基底出现凹坑，并使凹坑深度逐渐加深、表面粗糙。在其他条件不变的情况下，通过采用增加四氟化碳的流量、提高刻蚀功率或增加刻蚀时间中的任意一种或几种方式都可以增加刻蚀效果，不仅能使聚二甲基硅氧烷基底的凹坑深度变得更深，而且能使二氧化硅微球的直径变得更小，使相邻二氧化硅微球之间的间距变得更大，因此该雾气收集复合材料的制备方法能够有效调控二氧化硅微球之间的间距，即本发明实施例所提供的雾气收集复合材料的制备方法能够对超疏水基底上的超亲水单元的间距进行有效调控。

在实际应用中，刻蚀处理所采用的四氟化碳的流量最好为10～300毫升/分钟，刻蚀功率最好为20～500瓦，刻蚀时间最好为1～10小时；在进行刻蚀处理前，如图1所示，二氧化硅微球2的直径最好为1微米～50微米，而在刻蚀处理后，如图2所示，二氧化硅微球2的直径最好为刻蚀处理前二氧化硅微球直径的40％～80％，即相邻二氧化硅微球之间的间距最好为0.2～30微米，而聚二甲基硅氧烷基底上凹坑的深度最好是聚二甲基硅氧烷基底的厚度的0.1％～50％。

与现有技术相比，本发明实施例所提供的雾气收集复合材料的制备方法至少具备如下优点：第一，最终制得的复合材料中，作为超亲水单元的多个二氧化硅微球呈非紧密六方排列，尺寸均一，表面粗糙，具有超亲水特性；第二，最终制得的复合材料中，作为超亲水单元的二氧化硅微球位于超疏水单元的凸棱交汇点，这有助于使超亲水单元吸收水分进入超疏水单元；第三，利用该方法可以获得大面积基于超亲水－超疏水单元相互间隔阵列的高效雾气收集复合材料；第四，制备过程中用料少，无污染，生产效率高，适于大规模的工业化生产。

综上可见，本发明实施例所提供的雾气收集复合材料的制备方法不仅能够对超疏水基底上的超亲水单元的间距进行有效调控，以获得雾气收集效率的优化，而且该制备方法简单、易于实现、成本低廉。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以几个具体实施例对本发明所提供的雾气收集复合材料及其制备方法进行详细描述。

实施例一

如图1至图11所示，一种雾气收集复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

步骤一，采用自组织方法在聚二甲基硅氧烷基底1上合成大面积六方排列并紧密接触的二氧化硅微球2阵列。其中，聚二甲基硅氧烷基底1的厚度为250微米，步骤一得到的二氧化硅微球2的直径为5.0微米。

步骤二，以四氟化碳作为反应气体，并采用反应离子刻蚀方法对附着有二氧化硅微球2的聚二甲基硅氧烷基底1进行刻蚀处理；在刻蚀处理完成后，即得到超疏水－超亲水单元相互间隔的雾气收集复合材料。

其中，四氟化碳的流量为30毫升/分钟，刻蚀功率为50瓦，刻蚀时间为3小时；在刻蚀处理完成后，二氧化硅微球2的直径为3微米，相邻二氧化硅微球2之间的间距为2微米，聚二甲基硅氧烷基底上凹坑的深度是聚二甲基硅氧烷基底的厚度的2％。

具体地，结合附图4至图11对本发明实施例的雾气收集原理进行说明：

(1)图4是采用美国FE-SEM,FEI Sirion 200型场发射扫描电子显微镜对本发明实施例所制得的雾气收集复合材料进行观察并拍摄的照片。由图中可以看出：聚二甲基硅氧烷基底上有序分布着多个刻蚀处理所形成的凹坑，二氧化硅微球2设于凹坑之间凸棱的交汇处，并且这些二氧化硅微球2呈非紧密六方排列的有序阵列；二氧化硅微球2的直径为3微米，相邻二氧化硅微球2之间的间距为2微米。

(2)图5是采用上海梭伦SL200B型接触角测量仪对图4所示有序阵列上水的接触角进行观察并拍摄的照片。由图中可以看出：水的接触角为132度，这说明二氧化硅微球2不是超疏水特性。

(3)取本发明实施例所制得的雾气收集复合材料，并采用胶带粘贴法除去刻蚀处理后的二氧化硅微球2，再采用美国FE-SEM,FEI Sirion 200型场发射扫描电子显微镜对聚二甲基硅氧烷基底进行观察和拍摄，得到图6所示的去除二氧化硅微球2后聚二甲基硅氧烷基底的表面形貌照片。由图中可以看出：凹坑在聚二甲基硅氧烷基底上有序均匀排列，凹坑之间凸棱的交汇处是一个未被刻蚀处理的立柱，其顶部就是设置二氧化硅微球2的位置，这说明在刻蚀处理中，由于二氧化硅微球2的遮挡，凹坑之间凸棱的交汇处未被刻蚀，而未被二氧化硅微球2遮挡的聚二甲基硅氧烷基底被刻蚀形成凹坑。

(4)采用上海梭伦SL200B型接触角测量仪对获取图6过程中用胶带粘取的氧化硅单层胶体球晶体的接触角进行观察和拍摄，得到图7所示的刻蚀处理后的二氧化硅微球2的表面接触角照片。由图中可以看出：水的接触角为153度，这说明二氧化硅微球2底下的聚二甲基硅氧烷基底经刻蚀后呈超疏水特性。

(5)图8是采用美国FE-SEM,FEI Sirion 200型场发射扫描电子显微镜对本发明实施例所制得的雾气收集复合材料进行观察并拍摄的照片。由图中可以看出：二氧化硅微球2在聚二甲基硅氧烷基底上大面积的六方排列。

(6)图9是采用上海梭伦SL200B型接触角测量仪型场发射扫描电子显微镜对图8所示有序阵列上水的接触角进行观察并拍摄的照片。由图中可以看出：水的接触角为4.5度，这说明刻蚀后的二氧化硅微球2呈超亲水特性。

(7)图10是采用ESCALAB MK II型X射线光电子能谱仪对图6所示的去除二氧化硅微球2后的聚二甲基硅氧烷基底进行观察和测量，所得到的该聚二甲基硅氧烷基底中全元素的图谱；其中，纵坐标为counts per second(即单位时间内测得的光电子数目)，横坐标为bind energy(即结合能)。由图中可以看出：刻蚀过的聚二甲基硅氧烷基底里各种元素的存在状态以及元素间的相对含量。

(8)图11是采用ESCALAB MK II型X射线光电子能谱仪对图6所示的去除二氧化硅微球2后的聚二甲基硅氧烷基底进行观察和测量，所得到的该聚二甲基硅氧烷基底中氟元素的F1s图谱；其中，纵坐标为counts per second(即单位时间内测得的光电子数目)，横坐标为bind energy(即结合能)。由图中可以看出：经过四氟化碳刻蚀后，该聚二甲基硅氧烷基底的表面形成了C-F键，使该聚二甲基硅氧烷基底的表面自由能降低，从而诱导了超疏水。

综上可见，本发明实施例的雾气收集复合材料实现了超疏水－超亲水单元的相互间隔，提高了雾气收集效率；而该雾气收集复合材料的制备方法不仅能够对超疏水基底上的超亲水单元的间距进行有效调控，以获得雾气收集效率的优化，而且该制备方法简单、易于实现、成本低廉。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种雾气收集复合材料，其特征在于，包括：聚二甲基硅氧烷基底以及设于该基底上的多个二氧化硅微球；

聚二甲基硅氧烷基底上分布有多个凹坑，从而在相邻的凹坑之间形成多条凸棱；二氧化硅微球设于凸棱的交汇处，并且每个凸棱的交汇处至多设置一个二氧化硅微球。

2.根据权利要求1所述的雾气收集复合材料，其特征在于，所述的二氧化硅微球在聚二甲基硅氧烷基底上呈六方排列。

3.根据权利要求2所述的雾气收集复合材料，其特征在于，相邻两个二氧化硅微球之间的距离为0.2～30微米。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的雾气收集复合材料，其特征在于，所述的二氧化硅微球的直径为0.4～40微米。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的雾气收集复合材料，其特征在于，所述的聚二甲基硅氧烷基底的厚度为10微米～5毫米，而凹坑的深度是聚二甲基硅氧烷基底的厚度的0.1％～50％。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的雾气收集复合材料，其特征在于，在聚二甲基硅氧烷基底的表面设有一层由C-F键构成的低表面自由能疏水层。

7.一种雾气收集复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，采用自组织方法在聚二甲基硅氧烷基底上合成由紧密接触的二氧化硅微球构成的二氧化硅单层胶体球晶体阵列；

步骤二，以四氟化碳作为反应气体，并采用反应离子刻蚀方法对附着有二氧化硅微球的聚二甲基硅氧烷基底进行刻蚀处理；在刻蚀处理完成后，即得到超疏水－超亲水单元相互间隔的雾气收集复合材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤二中，四氟化碳的流量为10～300毫升/分钟，刻蚀功率为20～500瓦，刻蚀时间为1～10小时。

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅微球在聚二甲基硅氧烷基底上呈六方排列，并且在进行刻蚀处理前，二氧化硅微球的直径为1～50微米。

10.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述的聚二甲基硅氧烷基底的厚度为10微米～5毫米。