CN109023482B - 一种环形浸润性梯度铜网及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了阳极氧化法制备环形浸润性梯度铜网及其制备方法，属于集水铜网制备技术领域。该制备方法首先将16cm×16cm的180目紫铜网按顺序放入硝酸溶液、丙酮以及乙醇溶液中分别超声15分钟，洗涤干净后烘干；然后将烘干后的紫铜网放入有机乙醇溶液中浸泡3小时，取出后用无水乙醇冲洗并烘干，得到具有疏水性质的铜网。最后将具有疏水性质的铜网放入碱性溶液中，以铜网为阳极，以铜丝为阴极，进行阳极氧化，得到环形浸润性梯度铜网。该铜网具有类甲虫的亲疏水点阵结构和环形的浸润性梯度结构，提高了液滴捕获的能力，实现了连续高效的雾气收集，集水效率高、集水量大。本发明的制备方法操作简单，成本低廉，在缺水地区具有良好的应用前景。

Description

一种环形浸润性梯度铜网及其制备方法

技术领域

本发明属于集水铜网制备技术领域，特别涉及一种环形浸润性梯度铜网及其制备方法。

背景技术

虽然地球很大一部分都是海洋，淡水资源的匮乏却一直是人们困扰着的问题。这种匮乏不仅影响了国民经济的发展，同时也对人类的生存构成了很大的威胁。沿海地区运用高成本的手段来淡化海水，沙漠地区则是从雾气及雨水中收集，传统的收集淡水的方法不仅消耗大量的资源，而且效率很低。研究表明，很多缺水地区都有着很大的湿度，空气中弥漫着大量的水分子，由此会产生大量的雾气，如果能用一种简单的办法把这些雾气中的水分收集起来，无疑将会是解决问题的一个途径。因此，如果能够充分利用雾气中的水份，使其在某种条件下凝结并收集就有望在很大程度上解决水资源匮乏的问题。

人们在对自然的观察学习中发现，自然界中有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。

但是，传统方法集水效率都有待提高，无法满足缺水地区的需求。因此，亟需制备一种集水材料和装置来提高集水效率。

发明内容

本发明为了克服现有集水材料集水效率低、成本高的缺点，受到自然界甲虫从空气中集水能力的启发，提出一种环形浸润性梯度铜网及其制备方法，制备出一种仿甲虫结构的集水效率高、成本低廉、制备简单的环形浸润性梯度铜网。

所述的环形浸润性梯度铜网的制备方法，具体包括以下步骤：

第一步，将180目紫铜网依次放入浓度为0.1％硝酸溶液、丙酮以及乙醇溶剂中分别超声清洗，洗涤干净后烘干；

第二步，将烘干后的紫铜网放入浓度为1M的十二硫醇的乙醇溶液中，常温下浸泡3小时，取出，用无水乙醇冲洗三次，60℃烘干，得到具有疏水性质的铜网。

第三步，将具有疏水性质的铜网放入浓度为0.05M的NaOH溶液中，以铜网为阳极，以铜丝为阴极，进行阳极氧化，得到环形浸润性梯度铜网。所述的铜丝的数量两个以上，形成点阵结构，阳极氧化后形成点阵结构的环形浸润性梯度铜网。

所述的阳极氧化，电压为3～8V，氧化时间为45～300s，阴极直径为1～2mm，电极距离为0.5～2mm。

所述的阳极氧化，由于以阴极为中心，电场逐渐减小，铜网被氧化的程度也会逐渐降低，从而形成以阴极为中心的环形浸润性梯度。调节电压、氧化时间、阴极直径或者电极距离，可以在疏水处理后的铜网上得到不同规格的环形浸润性梯度环。

通过上述方法制备得到的环形浸润性梯度铜网，表面具有类甲虫的亲疏水相间点阵结构和环形的浸润性梯度结构；所述的环形的浸润性梯度结构表面从圆心0mm处到远离圆心处，锥状纤维从没有到越来越多又到越来越少，具有环形浸润性梯度结构；所述的锥状纤维组分为氢氧化铜。

将环形浸润性梯度铜网置于雾气中时，空气中的水分在其表面亲水部分凝结成水滴，并由于铜网特殊的亲疏水相间的点阵结构，使得水滴在表面上更容易向亲水点聚集，提高了液滴捕获的能力；同时因为其特殊指向圆心的环形浸润性梯度结构，凝结的水滴自发向圆心位置移动，并且通过中心大液滴实现透过。之后，空气中的水分继续在原有的位置凝结，从而实现了连续的集水过程，提高了集水效率。

本发明的优点及有益效果在于：

(1)本发明制备的环形浸润性梯度铜网利用类甲虫的亲疏水点阵结构和环形的浸润性梯度结构，提高了液滴捕获的能力，实现了连续高效的雾气收集，集水效率高、集水量大。

(2)本发明制备的环形浸润性梯度铜网具有良好的户外稳定性，使用年限长。

(3)本发明利用阳极氧化法制备环形浸润性梯度铜网的方法，操作简单，成本低廉，可以在滨海沙漠、海岛、远洋船只和多雾山区等缺水地区使用。

附图说明

图1为本发明实施例制备实验装置图及制备原理示意图；

图2为本发明实施例1中制备得到的环形浸润性梯度铜网的光学照片；

图3为本发明实施例1中制备得到的环形浸润性梯度铜网浸润性梯度位置的SEM图像，锥状纤维结构的放大图；

图4为本发明实施例1中制备得到的环形浸润性梯度铜网环形浸润性梯度位置的接触角表征图；

图5为本发明实施例1中制备得到的环形浸润性梯度铜网置于雾气中发生的集水过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供的环形浸润性梯度铜网的制备方法，通过阳极氧化法将铜网浸没在电解液中，在一定的条件下，进行快速氧化，形成环形梯度电场，得到环形浸润性梯度铜网。进行阳极氧化的实验装置如图1a所示，实验过程的示意图如图1b所示，实验过程中电流1＞电流2＞电流3，所以对铜网不同位置的氧化效果不同，中心的二价铜具有很好的亲水性，距中心越远亲水性越差，形成了具有环形浸润性梯度铜网。

制备得到的环形浸润性梯度铜网具有类甲虫的亲疏水点阵结构，能够快速地捕获雾气中的水分，快速凝结在铜网表面亲水点上，并且利用浸润性梯度结构和中心液滴，将水滴定向输运到中心位置并进行透过，从而实现了快速、连续的水收集，集水效率高、集水量大，并且制备成本低廉、制备方法简单、使用年限长，可用于干旱多雾地区以及沿海少雨地区的雾气收集。

实施例1

环形浸润性梯度铜网的制备方法，具体步骤如下：

(1)将16cm×16cm的180目紫铜网依次放入0.1％硝酸、丙酮、乙醇溶液中分别超声15分钟，洗涤干净后烘干；

(2)将烘干后的铜网放入1M十二硫醇的乙醇溶液中，浸泡3小时，取出，用无水乙醇冲洗三次，60℃烘干，得到具有疏水性质的铜网。

(3)将具有疏水性质的铜网放入0.05M NaOH溶液中，以铜网为阳极，以铜丝为阴极，在电压为3V，铜丝直径为1mm，阴极和阳极的距离为0.5mm的条件下，进行阳极氧化120s，得到仿甲虫结构的环形浸润性梯度铜网。

所得的环形浸润性梯度铜网，如图2所示，其表面具有亲疏水相间的点阵结构及环形的浸润性梯度结构，且点阵数量与阴极的铜丝数量相同。环形梯度电场的存在形成环形浸润性梯度，如图3所示，由日本电子公司型号为FE-SEM-6700F的扫描电子显微镜在3千伏电压下拍摄环形浸润性梯度铜网在圆心处及距圆心不同距离处，锥状纤维结构的放大图，其中，a)为环形浸润性梯度圆心处的SEM图，b)为环形浸润性梯度距离圆心3mm处的SEM图，c)为环形浸润性梯度距离圆心6mm处的SEM图，d)为环形浸润性梯度距离圆心9mm处的SEM图，e)为环形浸润性梯度距离圆心12mm处的SEM图，f)为环形浸润性梯度距离圆心15mm处的SEM图；由图3a)～3f)可以看出，从圆心0mm处到距离圆心15mm处，锥状纤维从没有到越来越多又到越来越少，充分体现出铜网环形浸润性梯度结构的特点；所述的锥状纤维组分为氢氧化铜。如图4所示，由德国DataPhysics生产的型号为OCA40Micro的接触角测量仪拍摄制备得到的环形浸润性梯度铜网的接触角表征图，从圆心0mm处到距离圆心15mm处，接触角从大到小又变大，体现出铜网环形浸润性梯度结构的特点。

制备得到的环形浸润性梯度铜网能够连续、快速地从雾气中收集水分，其集水过程如图5a所示，液滴在环形梯度外围凝结之后，通过浸润性梯度及小液滴合并产生的力往环形中心移动，然后通过中心的液滴穿透到铜网的另一面，使得雾水能够得到收集，此水滴形成至透过的过程只需20ms左右。如图5b所示为集水过程的原理图，雾气中的水分首先受到浸润性梯度力凝结成小液滴，然后小液滴受到浸润性梯度力和液滴合并力的双重作用力逐渐聚集为大水滴，最终在重力和附加压力的作用下穿透铜网。

实施例2

环形浸润性梯度铜网的制备方法，具体步骤如下：

(1)将16cm×16cm的180目紫铜网放入0.1％硝酸，丙酮，乙醇溶液中分别超声15分钟，洗涤干净后烘干；

(2)将烘干后的铜网放入1M十二硫醇的乙醇溶液中，浸泡3小时，取出，用无水乙醇冲洗三次，60℃烘干，得到具有疏水性质的铜网。

(3)将具有疏水性质的铜网放入0.05M NaOH溶液中，以铜网为阳极，以铜丝为阴极，相邻铜丝之间的距离为3cm，在电压为8V，阴极直径为1mm，阳极和阴极距离为0.5mm的条件下，进行阳极氧化120s，得到仿甲虫结构的环形浸润性梯度铜网。

制备得到的环形浸润性梯度铜网表面具有亲疏水相间点阵结构，点阵数量与阴极数量相同，并且环形梯度电场的存在形成环形浸润性梯度，所述的环形浸润性梯度的中心疏水，向外逐渐亲水后疏水。这种环形浸润性梯度铜网能够连续、快速地从雾气中收集水分，液滴在环形梯度外围凝结之后，通过浸润性梯度及小液滴合并产生的力往环形中心移动，然后通过中心的液滴穿透到铜网的另一面，使得雾水能够得到收集，只需20ms左右即可完成一个水滴的收集过程。

实施例3

环形浸润性梯度铜网的制备方法，具体步骤如下：

(1)将16cm×16cm的180目紫铜网按顺序放入0.1％硝酸，丙酮，乙醇溶液中分别超声15分钟，洗涤干净后烘干；

(2)将烘干后的铜网放入1M十二硫醇的乙醇溶液中，浸泡3小时，取出，用无水乙醇冲洗三次，60℃烘干，得到具有疏水性质的铜网。

(3)将具有疏水性质的铜网放入0.05M NaOH溶液中，以铜网为阳极，以铜丝为阴极，相邻的两个阴极之间的距离为3cm，形成点阵排列，在电压为3V，阴极直径为2mm，阴极和阳极的距离为1mm的条件下，进行阳极氧化300s，得到仿甲虫结构的环形浸润性梯度铜网。

所得的环形浸润性梯度铜网具有亲疏水相间点阵结构，点阵数量与阴极数量相同，并且环形梯度电场的存在形成环形浸润性梯度。这种环形浸润性梯度铜网能够在环形面上连续、快速地从雾气中收集水分，并汇聚到中心进行收集，只需20ms左右即可完成一个水滴的收集过程。

实施例4

环形浸润性梯度铜网的制备方法，具体步骤如下：

(1)将16cm×16cm的180目紫铜网放入0.1％硝酸，丙酮，乙醇溶液中分别超声15分钟，洗涤干净后烘干；

(2)将烘干后的铜网放入1M十二硫醇的乙醇溶液中，浸泡3小时，取出，用无水乙醇冲洗三次，60℃烘干，得到具有疏水性质的铜网。

(3)将具有疏水性质的铜网放入0.05M NaOH溶液中，以铜网为阳极，以铜丝为阴极，多个阴极呈点阵式排列，相邻两个阴极之间的距离为3cm，在电压为3V，阴极直径为1mm，阳极和阴极的距离为0.5mm的条件下，进行阳极氧化45s，得到仿甲虫结构的环形浸润性梯度铜网。

所得的环形浸润性梯度铜网具有亲疏水相间点阵结构，并且环形梯度电场的存在形成环形浸润性梯度。这种集水铜网能够连续、快速地从雾气中收集水分，只需20ms左右即可完成一个水滴的收集过程。

实施例5

环形浸润性梯度铜网的制备方法，具体步骤如下：

(1)将16cm×16cm的180目紫铜网放入0.1％硝酸，丙酮，乙醇溶液中分别超声15分钟，洗涤干净后烘干；

(2)将烘干后的铜网放入1M十二硫醇的乙醇溶液中，浸泡3小时，取出，用无水乙醇冲洗三次，60℃烘干，得到具有疏水性质的铜网。

(3)将具有疏水性质的铜网放入0.05M NaOH溶液中，以铜网为阳极，以铜丝为阴极，在电压为3V，阴极直径为1mm，阳极和阴极距离为2mm的条件下，进行阳极氧化120s，得到仿甲虫结构的点阵结构环形浸润性梯度铜网。

所得的环形浸润性梯度铜网具有亲疏水相间点阵结构，点阵数量与阴极数量相同，并且环形梯度电场的存在形成环形浸润性梯度。这种集水铜网能够连续、快速地从雾气中收集水分，只需20ms左右即可完成一个水滴的收集过程。

Claims (4)

1.一种环形浸润性梯度铜网的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

第一步，将铜网依次放入浓度为0.1%硝酸溶液、丙酮以及乙醇溶剂中分别超声清洗，洗涤干净后烘干；

第二步，将烘干后的铜网放入浓度为1M的十二硫醇的乙醇溶液中，常温下浸泡3小时，取出，用无水乙醇冲洗三次，60℃烘干，得到具有疏水性质的铜网；

第三步，将具有疏水性质的铜网放入浓度为0.05M 的NaOH溶液中，以铜网为阳极，以铜丝为阴极，进行阳极氧化，得到环形浸润性梯度铜网；所述的铜丝的数量两个以上，形成点阵结构，阳极氧化后形成点阵结构的环形浸润性梯度铜网；

通过阳极氧化法将铜网浸没在电解液中，在电压为3~8V，氧化时间为45~300s，阴极直径为1~2mm，电极距离为0.5~2mm的条件下，进行快速氧化，形成环形梯度电场，所以对铜网不同位置的氧化效果不同，中心的二价铜具有很好的亲水性，距中心越远亲水性越差，形成了具有环形浸润性梯度铜网。

2.如权利要求1所述的环形浸润性梯度铜网的制备方法，其特征在于，所述的铜网为180目紫铜网。

3.如权利要求1所述的环形浸润性梯度铜网的制备方法，其特征在于，制得的环形浸润性梯度铜网的表面具有亲疏水相间的点阵结构及环形的浸润性梯度结构，且点阵结构数量与阴极铜丝数量相同；所述的环形的浸润性梯度结构表面从圆心0mm处到远离圆心处，锥状纤维从没有到越来越多又到越来越少，具有环形浸润性梯度结构；所述的锥状纤维组分为氢氧化铜。

4.如权利要求1所述的环形浸润性梯度铜网的制备方法，其特征在于，将制得的环形浸润性梯度铜网置于雾气中，液滴在环形梯度外围凝结之后，通过浸润性梯度及小液滴合并产生的力往环形中心移动，然后通过中心的液滴穿透到铜网的另一面，使得雾水能够得到收集。

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