CN105755519B - 梯度阳极氧化法制备高效空气集水铜表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过梯度阳极氧化法制备高效空气集水铜表面的方法，属于界面化学技术领域。本发明利用多孔掩模与梯度阳极氧化处理技术相结合，对目标样品表面进行处理，能够实现具有单向浸润性梯度，亲水‑疏水相间表面的制备。本发明利用铜表面本身固有的浸润性和导电性，结合多孔掩模与梯度阳极氧化处理技术，以仿沙漠甲虫亲水‑疏水相间表面提高集水效率为理论基础，制备出了多种亲水/疏水区域面积比例不同的亲水‑疏水相间的铜表面，同时创新地在亲水‑疏水相间的铜表面上引入一个单向的浸润性梯度，解决了集水铜表面快速重建的技术问题，实现了铜表面集水效率的提高。

Description

梯度阳极氧化法制备高效空气集水铜表面的方法
技术领域
本发明属于界面化学技术领域，具体涉及一种梯度阳极氧化法制备高效空气集水铜表面的方法。
背景技术
科技发展在给人们带来诸多便利的同时，也给人们带来了严重的环境问题，特别是水污染和土地沙漠化，淡水资源的严重匮乏已经成为全球性问题。因此，如何获取淡水资源，成为了一个热门的课题。空气取水技术为解决淡水匮乏问题提供了一种新思路，然而相对传统的空气取水技术虽然可以实现一定的取水效果，但较低的集水效率，成为了其推广的一个瓶颈。通过对自然界生物表面集水性能的研究和模仿，新型仿生集水材料有望成为解决水资源匮乏的新途径。
发明内容
针对当前空气取水领域中存在的问题，本发明设计了一种通过简单的多孔掩模与梯度阳极氧化处理技术结合制备出具有单向浸润性梯度的亲水-疏水相间铜表面。本发明通过利用铜表面本身固有的浸润性和导电性，结合多孔掩模与梯度阳极氧化处理技术，以仿沙漠甲虫亲水-疏水相间表面提高集水效率为理论基础，制备出了多种亲水/疏水区域面积比例不同的亲水-疏水相间的铜表面，同时创新地在亲水-疏水相间的铜表面上引入一个单向的浸润性梯度，解决了集水铜表面快速重建的技术问题，实现了铜表面集水效率的提高。本发明制备的产品无需进行后续处理就可直接用于湿环境中的空气集水，产品表面易清理，重复性好。并且本发明制备方法简单，周期短，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。
本发明提供的梯度阳极氧化法制备高效空气集水铜表面的方法，具体步骤为：
第一步，电解液的制备；
第二步，目标样品表面预处理；
第三步，阳极氧化法制备梯度浸润性亲水-疏水相间表面：
首先将目标样品一面与绝缘多孔掩模板紧密贴合，掩模板的孔直径大小为0.3～1.5mm，孔边缘间距为0.3～0.8mm，然后采用直流稳压电源对铜片与掩模板贴合面放入电解液中进行阳极氧化处理，阳极为目标样品，阴极为4.0cm×2.0cm的片状铂电极，两电极所在平面相互平行且间距为0.5～1.5cm，控制阳极氧化过程的电流为1.0～2.0A，同时控制电解液的液面从目标样品顶端直至底端持续匀速下降，以获得沿铜片方向的表面浸润性梯度；处理完成后，取出目标样品，去除掩模板，然后用去离子水清洗之后自然晾干。
本发明的优点在于：
1、本发明通过利用铜表面本身固有的浸润性和导电性，结合多孔掩模与阳极氧化处理技术，利用亲水-疏水相间表面提高集水效率为理论基础，制备出了多种亲水/疏水区域面积比例不同的亲水-疏水相间的铜表面，实现了铜表面集水效率的提高。
2、本发明制备的梯度浸润性亲水-疏水相间铜表面，有效的解决了普通疏水铜表面集水效率较低的问题，利用梯度阳极氧化处理技术在亲水-疏水相间铜表面引入了一个单向的浸润性梯度，解决了集水铜表面快速重建的技术问题，进一步实现了铜表面集水效率的提高。
3、本发明使用的多孔掩模与梯度阳极氧化处理相结合的技术，可通过简单的更换掩模板制备亲水/疏水区域面积比例不同的亲水-疏水相间的铜表面，从而实现集水效率的调节。
4、本发明使用的多孔掩模与梯度阳极氧化处理相结合的技术，可通过简单的氧化时间及电流密度的调节，实现铜表面不同浸润性梯度的调节，从而实现集水效率的调节。
5、本发明制备的梯度浸润性亲水-疏水相间铜表面，采用简单的多孔掩模与电化学处理技术相结合的方法，避免了表面集水材料做进一步物理化学修饰的必要。
6、本发明制备周期短，方法简单，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。
附图说明
图1为梯度阳极氧化装置原理图。
图2A为实施例1制备的亲水-疏水相间铜表面光学照片。
图2B为实施例2制备的亲水-疏水相间铜表面光学照片。
图3为梯度浸润性亲水-疏水相间铜表面接触角。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供一种梯度阳极氧化法制备高效空气集水铜表面的方法，制备得到具有浸润性梯度的亲水-疏水相间铜表面。所述的制备方法利用铜表面本身固有的浸润性和导电性，结合多孔掩模与梯度阳极氧化处理技术，以仿沙漠甲虫亲水-疏水相间表面提高集水效率为理论基础，制备出了多种亲水/疏水区域面积比例不同的亲水-疏水相间的铜表面，同时创新地在亲水-疏水相间的铜表面上引入一个单向的浸润性梯度，解决了集水铜表面快速重建的技术问题，实现了铜表面集水效率的提高。
所述的梯度阳极氧化法制备高效空气集水铜表面的方法的具体步骤为：
第一步，电解液的制备：
配制一定浓度的氢氧化钠溶液，作为阳极氧化过程的电解液。所述氢氧化钠溶液的浓度为0.05mol/L。
第二步，目标样品表面预处理：
将铜片裁剪为长3.5cm，宽1.5cm的长方形，将其放入稀盐酸中浸泡15分钟，以去除铜片表面可能存在的氧化物及杂质，再分别用乙醇和水对其进行超声清洗20分钟，在干燥箱中烘干，得到目标样品待用。所述稀盐酸的溶液浓度为1mol/L。
第三步，阳极氧化法制备梯度浸润性亲水-疏水相间表面：
如图1所示，本发明首先将目标样品一面与绝缘多孔掩模板紧密贴合，掩模板的孔直径大小为0.3～1.5mm，孔边缘间距为0.3～0.8mm，然后采用直流稳压电源对铜片与掩模板贴合面进行阳极氧化处理，电解液为新制的氢氧化钠溶液，阳极为目标样品，阴极为4.0cm×2.0cm的片状铂电极，两电极所在平面相互平行且间距为0.5～1.5cm，控制阳极氧化过程的电流为1.0～2.0A，同时打开电解槽底部的排液阀门控制液面从铜片顶端直至底端持续匀速下降，下降的流速为0.25～0.70cm/min，以获得沿铜片长边方向(由上至下)的表面浸润性梯度。处理完成后，取出目标样品，去除掩模板，然后用去离子水清洗之后自然晾干。
对于上述的阳极氧化过程，如果选用的掩模板的孔直径≤0.8mm，在控制液面持续匀速下降的同时，使用电解液不断冲刷铜片与掩模板贴合面促进氧化。
所述的掩模板选用聚四氟乙烯材料。
通过以上梯度阳极氧化处理技术制备的表面集水材料，表现出表面亲水-疏水区域相间的性质，且拥有单向的浸润性梯度，解决了集水铜表面快速重建的技术问题，实现了铜表面集水效率的提高。
实施例1
本实施例提供梯度阳极氧化法制备较大亲水区域面积比例的梯度浸润性亲水-疏水相间铜表面，其具体步骤为：
第一步，电解液的制备：
称取1g氢氧化钠颗粒，溶于500g去离子水当中，搅拌到完全溶解。
第二步，目标样品表面预处理：
将铜片裁剪为长3.5cm，宽1.5cm的长方形，将其放入稀盐酸中浸泡15分钟，再分别用乙醇和水对其进行超声清洗20分钟，在70℃干燥箱中烘干10分钟待用。
第三步，阳极氧化法制备梯度浸润性亲水-疏水相间表面：
首先将目标样品一面与绝缘多孔掩模板紧密贴合，掩模板的孔直径大小为1.5mm，孔边缘间距为0.3mm，然后采用直流稳压电源对铜片与掩模板贴合面进行阳极氧化处理，电解液为新制的氢氧化钠溶液，阳极为目标样品，阴极为4.0cm×2.0cm的片状铂电极，两电极相互平行且间距为0.5～1.5cm，控制阳极氧化过程的电流为1.0～2.0A，同时打开电解槽底部的排液阀门控制液面从铜片顶端直至底端持续匀速下降，下降流速为0.25～0.70cm/min。处理完成后，取出目标样品，去除掩模板，然后用去离子水清洗之后自然晾干。
采用光学显微镜对实施例1制备的目标样品的表面进行观察：如图2A所示亲水-疏水相间铜表面，单个亲水区域直径大小为1.5mm，区域边缘间距为0.3mm样品图片，图中标尺为1mm，圆形深色部分为亲水区域，直径大小为1.5mm，区域边缘间距为0.3mm。对于未处理的疏水区域，铜表面依旧保持光滑及金属光泽，而阳极氧化处理的亲水区域，表面颜色较深，明显粗糙，无金属光泽，这使得样品集水过程中更容易在亲水部分收集水分，而疏水部分更容易重建。
采用接触角测量仪对水滴在具有单向浸润性梯度，亲水-疏水相间样品表面的行为进行了观察，如图3所示，沿浸润性梯度方向，水滴的接触角逐渐从107.00°递减至72.74°。对于实施例1制备的样品，收集到的水滴有向相对亲水一侧迁移的趋势，促进集水铜表面重建，因此，在相同雾流条件下，单位面积的梯度亲水-疏水铜表面相较原始的疏水铜表面及完整氧化的亲水铜表面，单位时间的集水效率提高。
实施例2
本实施例提供梯度阳极氧化法制备较小亲水区域面积比例的梯度浸润性亲水-疏水相间铜表面的方法，其具体步骤为：
第一步，电解液的制备：
称取1g氢氧化钠颗粒，溶于500g去离子水当中，搅拌到完全溶解。
第二步，目标样品表面预处理：
将铜片裁剪为长3.5cm，宽1.5cm的长方形，将其放入稀盐酸中浸泡15分钟，再分别用乙醇和水对其进行超声清洗20分钟，在70℃干燥箱中烘干10分钟待用。
第三步，阳极氧化法制备梯度浸润性亲水-疏水相间表面：
首先将目标样品一面与绝缘多孔掩模板紧密贴合，掩模板的孔直径大小为0.3mm，孔边缘间距为0.8mm，然后采用直流稳压电源对铜片与掩模板贴合面进行阳极氧化处理，电解液为新制的氢氧化钠溶液，阳极为目标样品，阴极为4.0cm×2.0cm的片状铂电极，两电极相互平行且间距为0.5～1.5cm，控制阳极氧化过程的电流为1.0～2.0A，打开电解槽底部的排液阀门控制液面从铜片顶端直至底端持续匀速下降，下降为流速为0.25～0.70cm/min。阳极氧化过程中使用电解液不断冲刷铜片与掩模板贴合面促进氧化。处理完成后，取出目标样品，去除掩模板，然后用去离子水清洗之后自然晾干。
采用光学显微镜对实施例2制备的目标样品的表面进行观察：如图2B所示亲水-疏水相间铜表面，图中标尺为1mm，圆形深色部分为亲水区域，直径大小为0.3mm，区域边缘间距为0.8mm。对于未处理的疏水区域，铜表面依旧保持光滑及金属光泽，而阳极氧化处理的亲水区域，表面颜色较深，明显粗糙，无金属光泽，这使得样品集水过程中更容易在亲水部分收集水分，而疏水部分更容易重建。
采用接触角测量仪对水滴在具有单向浸润性梯度，亲水-疏水相间样品表面的行为进行观察，水滴的接触角沿浸润性梯度方向递减。因此，对于实施例2制备的样品，收集到的水滴有向相对亲水一侧迁移的趋势，促进集水铜表面重建，提高集水效率。

Claims (4)

1.梯度阳极氧化法制备高效空气集水铜表面的方法，其特征在于：具体步骤为，
第一步，电解液的制备；所述的电解液为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.05mol/L；
第二步，目标样品表面预处理；
第三步，阳极氧化法制备梯度浸润性亲水-疏水相间表面：
首先将目标样品一面与绝缘多孔掩模板紧密贴合，掩模板的孔直径大小为0.3～1.5mm，孔边缘间距为0.3～0.8mm，然后采用直流稳压电源对铜片与掩模板贴合面放入电解液中进行阳极氧化处理，阳极为目标样品，阴极为4.0cm×2.0cm的片状铂电极，两电极所在平面相互平行且间距为0.5～1.5cm，控制阳极氧化过程的电流为1.0～2.0A，同时控制电解液的液面从目标样品顶端直至底端持续匀速下降，下降的流速为0.25～0.70cm/min，以获得沿铜片方向的表面浸润性梯度；如果选用的掩模板的孔直径≤0.8mm，在控制液面持续匀速下降的同时，使用电解液不断冲刷铜片与掩模板贴合面促进氧化；处理完成后，取出目标样品，去除掩模板，然后用去离子水清洗之后自然晾干，得到所述的梯度浸润性亲水-疏水相间表面；拥有单向的浸润性梯度，沿浸润性梯度方向，水滴的接触角递减。
2.根据权利要求1所述的梯度阳极氧化法制备高效空气集水铜表面的方法，其特征在于：所述的预处理是指：将铜片裁剪为长3.5cm，宽1.5cm的长方形，将其放入稀盐酸中浸泡15分钟，再分别用乙醇和水对其进行超声清洗20分钟，在干燥箱中烘干，得到目标样品待用。
3.根据权利要求1所述的梯度阳极氧化法制备高效空气集水铜表面的方法，其特征在于：所述的掩模板选用聚四氟乙烯材料。
4.一种高效空气集水铜表面，其特征在于：采用权利要求1～3任意一项权利要求所述的方法制备，所述表面亲水-疏水区域相间，且拥有单向的浸润性梯度，沿浸润性梯度方向，水滴的接触角递减。
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