CN106592232B - 一种工业化仿生集水网面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业化仿生集水网面的制备方法，属于化学仿生技术领域。所述制备方法首先将纤维缠绕在固定支架上形成纤维网格表面，然后将聚合物溶液或聚合物‑无机颗粒混合溶液喷涂在所述的纤维网格表面，干燥后获得本发明的工业化仿生集水网面。本发明制备效率高，过程简单，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，可延长使用年限。本发明制备的工业化仿生集水网面，在90％湿度下收集水滴时，水滴会在纤维上相邻纺锤结之间进行聚集，当水滴聚集到足够大时，在重力作用下，自动掉落，可采用收集器收集水滴。

Description

一种工业化仿生集水网面的制备方法
技术领域
本发明属于化学仿生技术领域，具体涉及一种工业化仿生集水网面的制备方法。
背景技术
目前，水资源匮乏已成为世界性问题，严重影响国民经济的可持续发展和国家生态安全，对人类的生存构成了极大的威胁，据联合国数据报道，世界上有将近12％的人无法获得安全的饮用水。
根据联合国环境规划署的数据，全球干旱地区的面积约占陆地总面积的41％。而在我国，干旱地区的面积也达到了2.5×106km2，约占国土面积的1/4。并且，随着全球变暖所引起的气候异常，水资源匮乏的问题也愈演愈烈。俗话说开源节流，目前对于“节流”的概念已经不断普及，但是“巧妇难为无米之炊”，因此，有的沿海地区通过进行海水淡化解决淡水资源匮乏的问题，但是该方法不得不耗费大量的能源。与此同时，人们注意到，即使是极度缺水的地区，在雾气中也含有大量的水分。因此，如果能够充分利用雾气中的水分，使其凝结并收集，就有望在很大程度上解决水资源匮乏的问题。
传统的集水材料一般是亲水的织物或者导热性质好的金属。例如，秘鲁政府为开发雾水资源，在该国西临太平洋的多雾地区设立了两个雾水收集站，雾水收集器用尼龙网制成，尼龙网支架下用一个大铁盘收集，其雾水收集量换算成降雨量分别是296.8毫米和165.1毫米。西班牙科学家还发明了由聚氨基甲酸乙酯制成的人造树，这种聚氨基甲酸乙酯吸水性能强，与雾的接触面积大，散热快，因而能够凝聚大量的水分。但是上述方法的集水效率较低，不能满足人类生产生活所需。
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。因此通过仿生制备低能耗、高效率、环境友好的集水材料有望成为解决水资源匮乏问题的新途径。我国许多生活在多雾气候地区的居民也已经开始用类似的传统集水材料从雾气中收集淡水。但现有集水技术存在着效率低、集水成本高、环境不友好、集水纤维生产效率低的缺陷，无法满足广大缺水地区对于水资源的迫切需求。目前已有一些技术用于解决仿生集水纤维的工业化制备问题，但是由纤维编成大型网面存在破坏节点结构的问题，应用得不到普及。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出采用原纤维编制网面后进行仿生结构制备的方案，这样可以同时拥有仿生集水网面与仿生纤维，可以按具体情况与要求设计集水器，充分利用集水空间。
针对现有技术中具有纺锤结结构的二维纤维网面制备效率低且成本高的缺陷，本发明提出一种工业化仿生集水网面的制备方法，可以高效的制备具有纺锤结结构的二维纤维网面。
本发明提出的一种工业化仿生集水网面的制备方法，具体包括以下几个步骤：
步骤一：纤维的清洗及编织：
选用平均直径0.1mm～0.5mm的纤维，用乙醇、丙酮和蒸馏水清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。将纤维缠绕在固定支架上，编织成由方形单元构成的纤维网格。单个网格面积优选6.25mm2～225mm2。
步骤二：制备质量分数为5％～15％的聚合物溶液或聚合物-无机颗粒混合溶液。
将聚合物添加至溶剂中，搅拌24h以上，得到澄清透明聚合物溶液。
进一步的，可以在所述的澄清透明聚合物溶液中进一步添加无机颗粒或无机颗粒分散液，形成聚合物-无机颗粒混合溶液。其中，无机颗粒或无机颗粒分散液与所述的聚合物溶液的质量比为1:5～1:3，优选为1:3。
所述的溶剂为：N,N-二甲基乙酰胺(DMA)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或四氢映喃。
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)。
所述无机颗粒为：二氧化钛(TiO2)颗粒或氧化锌(ZnO)颗粒。
所述的无机颗粒分散液为二氧化钛颗粒的丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)分散液或氧化锌颗粒的丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)分散液。所述的无机颗粒分散液中无机颗粒的质量分数为20％～30％。
步骤三：喷涂：
将缠绕有纤维网格的固定支架以一定的角度，优选为0至45°，放置在平面支撑板上。将步骤二中所配置的聚合物溶液或聚合物-无机颗粒混合溶液置于在高压喷枪中，以一定的压力与流速(250～350mL/min)喷涂在纤维网格的表面，得到具有球形液滴附着的二维纤维网面。所述高压喷枪的口径优选1.0mm～2.0mm，喷涂压力范围优选30psi～120psi，喷枪与纤维网格的表面垂直距离优选10cm～25cm，喷涂时间优选10s～50s。
步骤四：干燥：
将步骤三中制备的具有球形液滴附着的二维纤维网面放置在干燥箱中，以一定的温度干燥一定的时间，得到具有纺锤结结构的二维纤维网面，即本发明的工业化仿生集水网面。干燥温度优选为40℃～80℃，干燥时间优选为30min～300min。
本发明制备的工业化仿生集水网面，在90％湿度下收集水滴时，水滴会在纤维上相邻纺锤结之间进行聚集，当水滴聚集到足够大时，在重力作用下，自动掉落，可采用收集器收集水滴。
本发明具有的优点在于：
1、本发明提供的一种工业化仿生集水网面的制备方法，制备效率高，过程简单，可操作性强，对环境无任何伤害。
2、本发明提供的一种工业化仿生集水网面的制备方法，所使用的聚合物具有良好的户外稳定性，不易降解，耐用，可延长使用年限。
3、本发明提供的一种工业化仿生集水网面的制备方法，制备得到的纤维表面的纺锤结均匀可控，其表面具有更微观的粗糙结构，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、本发明提供的一种工业化仿生集水网面的制备方法，利用该方法制备得到的集水网面，提供了较大湿度下的集水量、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散，其收集淡水的成本远低于海水淡化的成本。
附图说明
图1：本发明提供的具有纺锤结结构的工业化仿生集水网面制备方法的流程图。
图2：本发明提供的具有纺锤结结构的工业化仿生集水网面的结构示意图。
图3-A：本发明提供的具有纺锤结结构的工业化仿生集水网面在光学显微镜下的纺锤结纤维结构图。
图3-B：本发明提供的具有纺锤结结构的二维纤维网面的光学显微镜下的纺锤结纤维结构放大图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明做进一步说明。
本发明提出的一种工业化仿生集水网面的制备方法，如图1所示，具体包括以下几个步骤：
步骤一：纤维的清洗及编织：
选用平均直径0.1mm～0.5mm的纤维，用乙醇、丙酮和蒸馏水清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。将纤维缠绕在固定支架上，编织成由方形单元构成的纤维网格。单个纤维网格面积优选6.25mm2～225mm2。所述纤维为人工合成纤维或天然纤维，优选为超高分子量聚乙烯纤维复合线(即钓鱼线)，纤维直径优选为0.1mm～0.5mm。
步骤二：制备质量分数为5％～15％的聚合物溶液或聚合物-无机颗粒混合溶液。
将聚合物添加至溶剂中，搅拌24h以上，得到澄清透明聚合物溶液。
所述的溶剂为：N,N-二甲基乙酰胺(DMA)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或四氢映喃。
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)。
在所述的聚合物溶液中加入无机颗粒或者无机颗粒分散液，形成聚合物-无机颗粒混合溶液。其中，无机颗粒或无机颗粒分散液与所述的聚合物溶液的质量比为1:5～1:3，优选为1:3。
所述无机颗粒为二氧化钛(TiO2)颗粒或氧化锌(ZnO)颗粒。
所述的无机颗粒分散液为二氧化钛颗粒的丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)分散液或氧化锌颗粒的丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)分散液。所述的无机颗粒分散液中无机颗粒的质量分数为20％～30％。
步骤三：喷涂：
将固定有纤维网格的固定支架以一定的角度，优选为0至45°，进一步优选为0°，放置在平面支撑板上。将步骤二中所配置的聚合物溶液或聚合物-无机颗粒混合溶液置于高压喷枪中，以一定的压力与流速喷涂在纤维网格表面，得到具有球形液滴附着的二维纤维网面。高压喷枪口径优选1.0mm～2.0mm，喷涂压力范围优选30psi～120psi，流速250～350mL/min，高压喷枪与网面垂直距离优选10cm～25cm，喷涂时间优选10s～50s。
步骤四：干燥得到具有纺锤结结构的工业化仿生集水网面：
将步骤三中制备的具有球形液滴附着的二维纤维网面放置在干燥箱中干燥，得到具有纺锤结结构的工业化仿生集水网面。干燥温度为40℃～80℃，干燥时间为30min～300min。
利用本发明提出的方法制备的二维纤维网面(如图2)的纺锤结的高度为50μm～250μm，纺锤结的长度为100～300μm，如图3-A。当在聚合物溶液中加入二氧化钛颗粒或氧化锌的PMA分散液时，该二维纤维网面的纺锤结的内部及表面有更微观的粗糙结构，微米尺度的纺锤结加上纳米尺度的粗糙结构，构成微纳复合结构，大大提高纺锤结结构的集水效率如图3-B。
实施例1
步骤一：纤维的清洗及编织：
选用直径0.1mm的钓鱼线，用乙醇、丙酮和蒸馏水清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。将纤维缠绕在固定支架上，编织成由方形单元构成的网格，网格面积为6.25mm2(网格边长2.5mm)。
步骤二：制备质量分数为5％的聚偏氟乙烯PVDF溶液。
将5重量份聚偏氟乙烯PVDF溶解于95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：喷涂：
将缠绕有纤维网格的固定支架水平放置在平面支撑板上，将步骤二中所配制的聚合物溶液放置在高压喷枪中并喷涂在网格表面，得到具有球形液滴附着的二维纤维网面，其中，喷枪口径为1.0mm，喷涂压力为45psi，液体流速250mL/min，喷枪与网面垂直距离为10cm，喷涂时间为30s。
步骤四：干燥得到具有纺锤结结构的工业化仿生集水网面：
将步骤三中制备的具有球形液滴附着的二维纤维网面放置在干燥箱中，在50℃时干燥100分钟，得到具有纺锤结结构的二维纤维网面，即工业化仿生集水网面。
如图3-A所示，在纤维丝上，形成纺锤结结构，在纤维编织的连接处，形成菱形结构，这些结构在结构边缘和中心位置之间存在曲率梯度，进而形成Laplace压力梯度，从而驱动凝结液滴从结构边缘向中心汇聚，大大提高水滴合并和收集的效率。
实施例2
步骤一：纤维的清洗及编织：
选用直径0.1mm的钓鱼线，用乙醇、丙酮和蒸馏水清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。将纤维缠绕在固定支架上，编织成由方形单元构成的网格，网格面积为6.25mm2(网格边长7.5mm)。
步骤二：制备质量分数为5％的聚偏氟乙烯PVDF及二氧化钛TiO2混合溶液。
将5重量份聚偏氟乙烯PVDF溶解于95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。
将30体积份二氧化钛TiO2丙二醇甲醚醋酸酯PMA分散液(二氧化钛颗粒质量分数为20％)与90体积份上述聚合物溶液混合，搅拌3h令其充分混合均匀，得到聚合物-无机颗粒混合溶液。
步骤三：喷涂制备纺锤结结构：
将固定有纤维网格的固定支架水平放置在平面支撑板上，通过调节喷枪与平面支撑板的距离来控制喷涂过程中喷枪的位置，将步骤二中所配制的混合溶液放置在高压喷枪中并喷涂在网格表面，得到具有球形液滴附着的二维纤维网面，其中，喷枪口径为1.5mm，喷涂压力为90psi，液体流速350mL/min，喷枪与网面垂直距离为25cm，喷涂时间为50s。
步骤四：干燥得到纺锤结结构：
将步骤三中制备的具有球形液滴附着的二维纤维网面放置在干燥箱中，在80℃时干燥30分钟，得到具有纺锤结结构的二维纤维网面。
在纤维丝上，形成纺锤结结构，在纤维连接处，形成菱形结构，这些结构在结构边缘和中心位置存在曲率梯度，进而形成Laplace压力梯度，从而驱动凝结液滴从结构边缘向中心汇聚，大大提高水滴合并和收集的效率。同时，由于无机粒子导致的微纳复合粗糙结构进一步提高了集水效率。
实施例3
步骤一：纤维的清洗及编织：
选用直径0.5mm的钓鱼线，用乙醇、丙酮和蒸馏水清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。将纤维缠绕在固定支架上，编织成由方形单元构成的网格，网格面积为56.25mm2(网格边长7.5mm)。
步骤二：制备质量分数为9.5％的聚偏氟乙烯PVDF及二氧化钛TiO2混合溶液。
将9.5重量份聚偏氟乙烯PVDF溶解于90.5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。
将5重量份的纳米二氧化钛颗粒与25重量份上述聚合物溶液混合，搅拌3h令其充分混合均匀，得到聚合物-无机颗粒混合溶液。
步骤三：喷涂制备纺锤结结构：
将固定有纤维网格的支架水平放置在平面支撑板上，将步骤二中所配制的聚合物-无机颗粒混合溶液放置在高压喷枪中并喷涂在网格表面，得到具有球形液滴附着的二维纤维网面，其中，喷枪口径为1.5mm，喷涂压力为90psi，流速250～350mL/min，喷枪与网面垂直距离为10cm，喷涂时间为20s。
步骤四：干燥得到纺锤结结构：
将步骤三中制备的具有球形液滴附着的二维纤维网面放置在干燥箱中，在40℃时干燥300min，得到具有纺锤结结构的二维纤维网面。
在纤维丝上，形成纺锤结结构，在纤维连接处，形成菱形结构，这些结构在结构边缘和中心位置存在曲率梯度，进而形成Laplace压力梯度，从而驱动凝结液滴从结构边缘向中心汇聚，大大提高水滴合并和收集的效率。同时，由于无机粒子导致的微纳复合粗糙结构进一步提高了集水效率。
实施例4
步骤一：纤维的清洗及编织：
选用直径0.2mm的钓鱼线，用乙醇、丙酮和蒸馏水清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。将纤维缠绕在固定支架上，编织成由正方形单元构成的网格，网格面积为225mm2。
步骤二：制备质量分数为15％的聚偏氟乙烯PVDF及二氧化钛TiO2混合溶液。
将15重量份聚偏氟乙烯PVDF溶解于85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。
将5重量份的纳米氧化锌颗粒与15重量份上述聚合物溶液混合，搅拌3h令其充分混合均匀，得到聚合物-纳米氧化锌颗粒混合溶液。
步骤三：喷涂制备纺锤结结构：
将固定有纤维网格的固定支架放置在平面支撑板上，与水平面成45°角，将步骤二中所配制的混合溶液放置在高压喷枪中并喷涂在网格表面，得到具有球形液滴附着的二维纤维网面，其中，喷枪口径为2.0mm，喷涂压力为120psi，流速350mL/min，喷枪与网面垂直距离为15cm，喷涂时间为30s。
步骤四：干燥得到纺锤结结构：
将步骤三中制备的具有球形液滴附着的二维纤维网面放置在干燥箱中，在70℃时干燥200min，得到具有纺锤结结构的二维纤维网面。
在纤维丝上，形成纺锤结结构，在纤维连接处，形成菱形结构，这些结构在结构边缘和中心位置存在曲率梯度，进而形成Laplace压力梯度，从而驱动凝结液滴从结构边缘向中心汇聚，大大提高水滴合并和收集的效率。同时，由于无机粒子导致的微纳复合粗糙结构进一步提高了集水效率。

Claims (9)

1.一种工业化仿生集水网面的制备方法，其特征在于：
步骤一：纤维清洗，并将纤维缠绕在固定支架上编织成纤维网格；
步骤二：制备质量分数为5％～15％的聚合物溶液或聚合物-无机颗粒混合溶液；
将聚合物添加至溶剂中，搅拌24h以上，得到聚合物溶液；
在所述的聚合物溶液中添加无机颗粒或无机颗粒分散液，形成聚合物-无机颗粒混合溶液；
步骤三：喷涂：
将缠绕有纤维网格的固定支架放置在平面支撑板上；将步骤二中所配置的聚合物溶液或聚合物-无机颗粒混合溶液置于在高压喷枪中，喷涂在纤维网格的表面，得到具有球形液滴附着的二维纤维网面；
步骤四：干燥：
将步骤三中制备的具有球形液滴附着的二维纤维网面放置在干燥箱中干燥，得到具有纺锤结结构的工业化仿生集水网面。
2.根据权利要求1所述的一种工业化仿生集水网面的制备方法，其特征在于：所述的纤维清洗是指用乙醇、丙酮和蒸馏水清洗纤维表面，除去附着于纤维表面的尘埃。
3.根据权利要求1所述的一种工业化仿生集水网面的制备方法，其特征在于：步骤一中所述纤维的直径0.1mm～0.5mm，所述纤维网格由方形单元构成，单个网格面积6.25mm2～225mm2。
4.根据权利要求1所述的一种工业化仿生集水网面的制备方法，其特征在于：所述的聚合物-无机颗粒混合溶液中，无机颗粒或无机颗粒分散液与所述的聚合物溶液的质量比为1:5～1:3。
5.根据权利要求1或4所述的一种工业化仿生集水网面的制备方法，其特征在于：所述的无机颗粒分散液中无机颗粒的质量分数为20％～30％。
6.根据权利要求1所述的一种工业化仿生集水网面的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或四氢呋喃；所述的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；所述无机颗粒为二氧化钛颗粒或氧化锌颗粒；所述的无机颗粒分散液为二氧化钛颗粒的丙二醇甲醚醋酸酯分散液或氧化锌颗粒的丙二醇甲醚醋酸酯分散液。
7.根据权利要求1所述的一种工业化仿生集水网面的制备方法，其特征在于：步骤三中所述的纤维网格与平面支撑板之间呈0～45°角。
8.根据权利要求1所述的一种工业化仿生集水网面的制备方法，其特征在于：步骤三中所述的干燥条件包括温度为40℃～80℃，干燥时间为30min～300min。
9.根据权利要求1所述的一种工业化仿生集水网面的制备方法，其特征在于：步骤三中所述的高压喷枪的口径1.0mm～2.0mm，喷涂压力范围30psi～120psi，喷枪与纤维网格的表面垂直距离10cm～25cm，喷涂时间10s～50s。
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