CN109235544B - 轻量化集水并自发输运的仿生装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种轻量化集水并自发输运的仿生装置及其制备方法，该仿生装置采用PDMS材料作为集水壳，集水壳表面呈凹凸的波浪形，其凸起部分为凹槽处水滴起到了挡风作用，使得水滴不易被吹走。具体为该仿生装置包括：PDMS集水壳、储水容器和立杆；所述PDMS集水壳为PDMS材质的板球形壳体，其表面分布有沿经度方向凹槽；且所述PDMS集水壳表面分布有亲水区域；立杆的一端与储水容器相连，另一端支撑所述PDMS集水壳；所述PDMS集水壳表面亲水区域收集的水滴沿着所述PDMS集水壳表面的凹槽流至所述储水容器中。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生装置，具体涉及一种轻量化集水并自发输运的仿生装置。
背景技术
自然界中许多生物表面不仅具有优异的集水特性，还具有定向输运水滴的能力，这一自然现象与生物表面微观结构密切相关。非洲纳米布沙漠甲虫以其在恶劣自然环境下的集水功能引起了研究者的广泛关注。科学家们观察到沙漠甲虫背部翅膀表面具有超亲水纹理和超疏水沟槽，能够从外界空气吸取水蒸汽，并将水滴输运至甲虫口中。这种利用表面微结构实现集水和水滴输运的方式，不仅有望为某些极端环境如沙漠、军队野外作战等提供淡水，亦可用作某些冷凝器的表面，以提升系统工作性能。
仿生集水系统研究是仿生材料力学与功能化表面设计及制备方向的一个研究热点，也是该学科前沿，近几年虽然得到了快速发展，但现有的一些集水设计不仅复杂，如在材料表面刻蚀微纳米级结构，借用电力能源等，而且造价昂贵，不能完全满足实际的工程需要，例如如何廉价简单的制备出有效集水且自发输运水的功能表面，如何制备能够输运水滴从而实现自清洁效果的汽车后视镜表面，等等。对于仿生集水且自发输运液滴的功能表面设计和制备，仍需要进一步深入探索和发展。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种轻量化集水并自发输运的仿生装置，能够实现表面自发集水和输运。
所述的轻量化集水并自发输运的仿生装置，包括：PDMS集水壳、储水容器和立杆；所述PDMS集水壳为PDMS材质的板球形壳体，其表面分布有沿经度方向的凹槽；且所述PDMS集水壳表面分布有亲水区；
所述立杆的一端与储水容器相连，另一端支撑所述PDMS集水壳；所述PDMS集水壳表面亲水区域收集的水滴沿着所述PDMS集水壳表面的凹槽流至所述储水容器中。
所述PDMS集水壳内表面的中心处设置有半球形凹槽；所述立杆与所述PDMS集水壳配合的一端设置有半球形凸起，通过所述半球形凸起与所述PDMS集水壳内部的半圆形凹槽配合，实现对所述支撑PDMS集水壳的支撑。
在所述PDMS集水壳表面沿经度方向和纬度方向均均匀间隔分布花形亲水区，花形亲水区域包括中心的大圆形区域和位于中心大圆形区域外围沿中心大圆形区域的周向均匀分布的两个以上小圆形区域。
此外，本发明提供一种轻量化集水并自发输运的仿生装置的制备方法：
步骤一：PDMS集水壳的制备：
所述PDMS集水壳取PDMS为原材料，制备PDMS集水壳的模具包括外壳模具、压盖和溅射外壳；所述外壳模具为半球形壳体结构，在外壳模具上设置有沿其经度方向条形凹槽；所述压盖为半球形结构，其平面端设置有圆形面板作为压板，且压板中心设置有手柄，球形面的中心位置设置有凸起的半球形压头；所述溅射外壳为半球形结构，其表面分布有溅射孔；
采用上述模具制备PDMS集水壳的过程为：
101、将PDMS与固化剂按质量比为10:1的配比形成PDMS溶液；
102、将搅拌均匀的PDMS溶液抽完真空后倒入外壳模具中，然后通过压盖的球形面所在端挤压外壳模具中的PDMS溶液，当所述压盖上平面端的压板与外壳模具的开口边缘接触时停止挤压，此时在外壳模具和压盖之间具有一层PDMS溶液，形成包括外壳模具、压盖和PDMS溶液的复合结构；
103、将步骤102形成的复合结构放入干燥箱中，在设定温度下干燥设定时间，干燥完成后，所述外壳模具与所述压盖之间PDMS溶液固化形成表面有沿经度方向分布凹槽的PDMS材质的板球形壳体；
104、将溅射外壳盖在步骤103所形成的PDMS材质的板球形壳体上，然后将覆盖有溅射外壳的PDMS材质的板球形壳体放进离子溅射仪中；对PDMS材质的板球形壳体表面通过溅射孔暴露在外面的区域进行离子溅射，使得PDMS材质的板球形壳体表面溅射孔对应的区域形成亲水区，其余区域仍为疏水区；
105、溅射完成后，将PDMS材质的板球形壳体从溅射外壳内取出，形成PDMS集水壳，PDMS集水壳内表面中心具有由压头压出的半球形凹槽；
步骤二：PDMS集水壳与储水容器的组装：
通过立杆连接PDMS集水壳与储水容器，即所述立杆的一端与储水容器相连，另一端支撑所述PDMS集水壳；使得所述PDMS集水壳表面亲水区域收集的水滴能够沿着所述PDMS集水壳表面的凹槽流至所述储水容器中。
有益效果：
(1)该仿生装置采用PDMS材料作为集水壳，集水壳表面呈凹凸的波浪形，其凸起部分为凹槽处水滴起到了挡风作用，使得水滴不易被吹走。
(2)PDMS集水壳由立杆上的小圆珠支撑，由于PDMS集水壳质量较小，结构整体较轻，当风吹过时，集水壳发生左右摇摆，使得水滴更容易脱落表面被收集。因此，本装置不仅在结构上实现了轻量化设计，更能够通过轻量化特征有效收集水滴。
(3)PDMS材料价格低廉，不仅可以多次使用，还能随时更换PDMS薄壳，从而节省了制造成本。
(4)该装置表面结构为宏观尺度，在实际工程制备中更易于实现。
附图说明
图1为该仿生装置的结构示意图；
图2为制备PDMS集水壳的外壳模具的结构示意图；
图3为制备PDMS集水壳的模具压盖的结构示意图；
图4为制备PDMS集水壳的溅射外壳的结构示意图；
图5为PDMS集水壳的结构示意图；
图6为储水容器的结构示意图。
其中：1-PDMS集水壳，2-储水容器，3-外壳模具，4-凸起，5-凹槽，6-压板，7-手柄，8-压盖，9-压头，10-溅射外壳，11-溅射孔，12-亲水区，13-疏水区，14-螺杆，15-立杆，16-半球形凸起，17-螺纹
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。
为解决淡水匮乏地区用水问题，基于沙漠甲虫集水原理，本实施例提供一种轻量化集水并自发输运的仿生装置，以实现表面自发集水和输运。
如图1所示，该轻量化集水并自发输运的仿生装置包括PDMS集水壳1、储水容器2和立杆13。
由于聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化后为疏水性材料，故本装置选取PDMS为集水壳1的原材料，制备PDMS集水壳1的模具，包括外壳模具3、压盖8和溅射外壳10。
如图2所示，外壳模具3为半球形壳体结构，在外壳模具3上设置有沿其经度方向条形凹槽5，且凹槽5均匀间隔分布，使得该外壳模具3沿周向为均匀间隔分布的凸起4和凹槽5，即该外壳模具3的横截面(径向截面)的轮廓为环绕一周的波浪线。
如图3所示，压盖8同样为半球形结构，其平面端设置有圆形面板作为压板6，且压板6中心设置有手柄7，球形面的中心位置设置有凸起的压头9，压头9的端面为弧形面。
PDMS集水壳1的制备过程为：
(1)、将PDMS与固化剂按质量比为10:1的配比形成PDMS溶液；
(2)、将搅拌均匀的PDMS溶液抽完真空后倒入外壳模具3中，然后手持压盖8的手柄7，用压盖8的球形面所在端挤压外壳模具3中溶液，当压盖8上平面端的压板6与外壳模具3的开口边缘接触时停止挤压，此时形成包括外壳模具3、压盖和PDMS溶液的复合结构；
(3)、由于压盖8上压板6的外径比外壳模具3的内径大，且压盖8上球形面的高度比外壳磨具3的深度要小，因此在外壳模具3和压盖8之间还有一层PDMS溶液。然后将该复合结构放入干燥箱中，干燥箱设置温度为80℃，设置时长为2小时。干燥完成后，外壳模具3与压盖8之间的PDMS溶液固化后形成与图2中外壳模具3相同的PDMS薄壳结构。由于固化后的PDMS具有一定的刚度，所以薄壳结构不会轻易发生变形。
(4)、将与外壳模具3形状相同的溅射外壳10盖在固化后的PDMS薄壳结构上，溅射外壳上设置有多个花形圆孔作为溅射孔11，每个花形圆孔包括一个中心孔和位于中心孔外围沿中心孔的周向均匀分布的多个小圆孔，多个花形圆孔在溅射外壳表面呈设定规律分布，本实施例中，花形圆孔11沿溅射外壳的经度方向和纬度方向均均匀间隔分布。将覆盖有溅射外壳10的PDMS薄壳结构放进离子溅射仪中；将离子溅射仪电流强度设置为10mA，溅射时间设置为10s。离子溅射仪溅射出的气体可打断PDMS表面的疏水基团化学键，并连接上新的亲水基团。离子溅射过程中，气体会通过溅射孔11击打暴露在外面的PDMS表面上，PDMS薄壳结构中被气体溅射到的区域变为亲水性，气体溅射不到的区域依然保持疏水性。
(5)溅射完成后，将PDMS薄壳结构从溅射外壳11内取出，形成如图5所示的PDMS集水壳1，PDMS集水壳1表面呈现出花形亲水区12，其余区域为疏水区13。由此PDMS集水壳1为板球形壳体，其表面呈波浪状的凹凸不平结构，且规律性分布花形亲水区域，PDMS集水壳1内表面顶端有半球形凹槽(由图3压盖中的压头9压出)。
PDMS集水壳1制备完成后，将其通过立杆15与储水容器2组装在一起，便可形成集水并自发输运的仿生装置，具体为：
储水容器2开口端的尺寸大于PDMS集水壳1开口端的尺寸，立杆15的一端设置有螺纹17，另一端端部设置有半球形凸起16，立杆15的螺纹17所在端通过与设置在储水容器2内部中心位置的螺杆14(螺杆14为具有内螺纹的中空杆件)螺纹配合，将立杆15固定于储水容器2上。然后将PDMS集水壳1放在立杆15上，由立杆15另一端部的半球形凸起16与PDMS集水壳1内部的半圆形凹槽配合，从而支撑PDMS集水壳1，最终组装后的整体结构如图1所示。
该集水并自发输运的仿生装置的工作原理为：
将该装置置于淡水短缺的特殊环境中，如沙漠等。当风吹过PDMS集水壳1时，空气中的一部分湿气会被PDMS集水壳1上的亲水区域收集，由于亲水区域在表面分布较为密集，碰撞到疏水区域的微小液滴也会被反弹到亲水区域中，随着水滴体积的积累，当水滴自重大于亲水区施加的毛细力时，水滴会顺着PDMS集水壳1表面的凹槽流落到储水容器2中。同时，PDMS集水壳1在立杆15的支撑下进行摇摆，使得水滴更容易脱落表面而被收集。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种轻量化集水并自发输运的仿生装置的制备方法，其特征在于，轻量化集水并自发输运的仿生装置包括：PDMS集水壳(1)、储水容器(2)和立杆(15)；所述PDMS集水壳(1)为PDMS材质的板球形壳体，其表面分布有沿经度方向的凹槽；且所述PDMS集水壳(1)表面分布有亲水区(12)；
所述立杆(15)的一端与储水容器(2)相连，另一端支撑所述PDMS集水壳(1)；所述PDMS集水壳(1)表面亲水区域收集的水滴沿着所述PDMS集水壳(1)表面的凹槽流至所述储水容器(2)中；
所述轻量化集水并自发输运的仿生装置的制备方法为：
步骤一：PDMS集水壳(1)的制备：
所述PDMS集水壳(1)取PDMS为原材料，制备PDMS集水壳(1)的模具包括外壳模具(3)、压盖(8)和溅射外壳(10)；所述外壳模具(3)为半球形壳体结构，在外壳模具(3)上设置有沿其经度方向条形凹槽(5)；所述压盖(8)为半球形结构，其平面端设置有圆形面板作为压板(6)，且压板(6)中心设置有手柄(7)，球形面的中心位置设置有凸起的半球形压头(9)；所述溅射外壳(10)为半球形结构，其表面分布有溅射孔(11)；
采用上述模具制备PDMS集水壳(1)的过程为：
101、将PDMS与固化剂按质量比为10:1的配比形成PDMS溶液；
102、将搅拌均匀的PDMS溶液抽完真空后倒入外壳模具(3)中，然后通过压盖(8)的球形面所在端挤压外壳模具(3)中的PDMS溶液，当所述压盖(8)上平面端的压板(6)与外壳模具(3)的开口边缘接触时停止挤压，此时在外壳模具(3)和压盖(8)之间具有一层PDMS溶液，形成包括外壳模具(3)、压盖(8)和PDMS溶液的复合结构；
103、将步骤102形成的复合结构放入干燥箱中，在设定温度下干燥设定时间，干燥完成后，所述外壳模具(3)与所述压盖(8)之间PDMS溶液固化形成表面有沿经度方向分布凹槽的PDMS材质的板球形壳体；
104、将溅射外壳(10)盖在步骤103所形成的PDMS材质的板球形壳体上，然后将覆盖有溅射外壳(10)的PDMS材质的板球形壳体放进离子溅射仪中；对PDMS材质的板球形壳体表面通过溅射孔(11)暴露在外面的区域进行离子溅射，使得PDMS材质的板球形壳体表面溅射孔对应的区域形成亲水区(12)，其余区域仍为疏水区(13)；
105、溅射完成后，将PDMS材质的板球形壳体从溅射外壳内取出，形成PDMS集水壳(1)，PDMS集水壳(1)内表面中心具有由压头(9)压出的半球形凹槽；
步骤二：PDMS集水壳(1)与储水容器(2)的组装：
通过立杆(15)连接PDMS集水壳(1)与储水容器(2)，即所述立杆(15)的一端与储水容器(2)相连，另一端支撑所述PDMS集水壳(1)；使得所述PDMS集水壳(1)表面亲水区域收集的水滴能够沿着所述PDMS集水壳(1)表面的凹槽流至所述储水容器(2)中。
2.如权利要求1所述的轻量化集水并自发输运的仿生装置的制备方法，其特征在于：所述PDMS集水壳(1)内表面的中心处设置有半球形凹槽；所述立杆(15)与所述PDMS集水壳(1)配合的一端设置有半球形凸起(16)，通过所述半球形凸起(16)与所述PDMS集水壳(1)内部的半圆形凹槽配合，实现对所述PDMS集水壳(1)的支撑。
3.如权利要求1或2所述的轻量化集水并自发输运的仿生装置的制备方法，其特征在于：在所述PDMS集水壳(1)表面沿经度方向和纬度方向均均匀间隔分布花形亲水区(12)，花形亲水区域包括中心的大圆形区域和位于中心大圆形区域外围沿中心大圆形区域的周向均匀分布的两个以上小圆形区域。
4.如权利要求1或2所述的轻量化集水并自发输运的仿生装置的制备方法，其特征在于：所述立杆(15)与储水容器(2)相连的一端设置有螺纹(17)；所述立杆(15)的螺纹(17)所在端通过与设置在储水容器(2)内部中心位置的螺杆(14)螺纹配合，将立杆(15)固定于储水容器(2)上。
5.如权利要求1或2所述的轻量化集水并自发输运的仿生装置的制备方法，其特征在于：所述PDMS集水壳(1)表面的凹槽沿周向均匀间隔分布。
6.如权利要求1所述的轻量化集水并自发输运的仿生装置的制备方法，其特征在于：在所述溅射外壳(10)上分布有两个以上花形圆孔作为溅射孔(11)，每个花形圆孔包括一个中心孔和位于中心孔外围沿中心孔的周向均匀分布的多个圆孔。
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