CN110552397A - 一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能材料技术领域，公开了一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，包括表面分为超亲水区域和超疏水区域的界面本体，超亲水区域和超疏水区域均为条带状，超亲水区域和超疏水区域在长度方向上同向延伸、在宽度方向上交替排列；超亲水区域设置有多个积雾针，积雾针伸出于界面本体的表面。本发明将超疏水区域和超亲水区域相结合，并在超亲水区域插以积雾针，利用小液滴表面能的释放作为驱动力，实现自发定向的集雾过程，形成自主收集雾气并自我输运的功能界面。

Description

一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体地说，是涉及一种用于微小雾滴收集、输运的新型功能界面。

背景技术

雾水收集被认为是解决干旱但有雾地区取水问题的有效方法。目前具有积雾功能的界面有网状、管状和有特定图案的仿生表面等，这些积雾界面因具有较高效的雾气收集能力和可观的水滴悬挂量，受到广泛关注。但这些界面都依赖于重力驱动将水分离。这样就会存在很多缺点，体现在受风吹拂过程中，液滴的储量可能受到严重的再蒸发影响，大大降低了雾气收集的效率。与此同时，重力驱动的雾收集器在水运输的过程中主要依赖于一个开放的表面，也增加了水流失的风险。这种不具备自发收集雾水和防止收集到的雾水再蒸发功能的界面将会由于其浪费过多而无法投入到大规模应用，为了减少在雾收集面上捕获的雾滴再蒸发，就需要设计出一个可以解决上述问题的界面，这种界面需要具有不依赖重力以及能够定向收集并储存捕获液滴的功能。

发明内容

本发明着力于解决目前积雾功能界面不具备自发收集雾水和防止蒸发功能的技术问题，提供了一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，将超疏水区域和超亲水区域相结合，并在超亲水区域插以积雾针，利用小液滴表面能的释放作为驱动力，实现自发定向的集雾过程，形成自主收集雾气并自我输运的功能界面。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，包括界面本体，所述界面本体的表面分为超亲水区域和超疏水区域，所述超亲水区域和所述超疏水区域均为条带状，所述超亲水区域和所述超疏水区域在长度方向上同向延伸、在宽度方向上交替排列；所述超亲水区域设置有多个积雾针，所述积雾针伸出于所述界面本体的表面。

优选地，所述超亲水区域的宽度为0.25-2毫米；所述超疏水区域的宽度为0.25-2毫米。

优选地，所述积雾针伸出于所述界面本体的表面0.5-2.5毫米。

优选地，所述积雾针与所述界面本体的表面呈45°-135°夹角。

优选地，所述积雾针在所述超亲水条带区域内等间距布置，该间距为2.3mm-5mm。

优选地，所述积雾针为钢针、铝针、铜针中的一种。

进一步地，所述超疏水区域由超疏水材料的所述界面本体形成，或者在所述界面本体上叠加覆盖超疏水材料形成，或者对所述界面本体采用加工的方式进行部分超疏水处理形成。

更进一步地，所述叠加覆盖为粘贴、涂敷、气相沉积或激光刻蚀中的一种，所述加工的方式为微加工或激光加工，所述超疏水材料为气相二氧化硅、蜡或氟硅烷。

进一步地，所述超亲水区域由超亲水材料的所述界面本体形成，或者在所述界面本体上叠加覆盖超亲水材料形成，或者对所述界面本体采用加工的方式进行部分超亲水处理形成。

更进一步地，所述叠加覆盖为粘贴、涂敷或激光刻蚀中的一种，所述加工的方式为微加工或激光加工，所述超亲水材料为滤纸、海绵、棉花、纸板、超亲水铜片、超亲水玻璃，或者鞣酸和A200按照1:1混合的溶液。

本发明的有益效果是：

本发明的捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，基于超浸润材料的仿生构筑，搭建多功能液体定向输运界面；通过研究超疏水区域和超亲水区域的尺寸、排列等参数以及积雾针的长度、排列距离对液体定向输运性能的影响，进一步优化技术参数，获得最优化的自驱动积雾和输运界面。基于超疏水区域和超亲水区域的协同作用，构建流体自驱动定向收集和运输体系，并深入考察了输运程度、收集效率以及收集能力等参数，探索并证明该界面系统在雾气捕捉、液体收集、新型界面材料等领域的应用潜力。

在使用本发明的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面进行液滴定向传输时，可利用雾气作为液体来源，利用所积液滴在超疏水区域和超亲水区域的浸润性不同导致表面能释放，定向驱动液滴向超亲水区域进行运动，最终完全吸收、输运。由于拉普拉斯压的推动，超疏水区域表面上的液滴将快速地转移到超亲水区域，并被吸收和连续输运。通过对捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面测试得到，捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面的收集效率比同样面积但无亲疏水协同，没有积雾针的表面高出四倍，比只有积雾针，没有亲疏水协同的表面高出了两倍，因此实现了高效快速的液体收集及输运。

本发明的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面制备成本低廉，原料易得，材料可选择性强，生产工艺简单，适合大规模制备，可以与多种液体操控体系相整合，并且可以应用于户外等实际环境。本发明对于雾气收集及输运的作用明显，可以实现在无外力和外加能量的情况下的实现液体定向传输，实现了高效、快速、安全的液滴传输过程，为新型积雾界面提供了应用实例。

附图说明

图1是本发明提供的捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面的结构示意图；

图2是本发明的实施例1在应用过程中对液体的快速输运过程照片。

上述图1中：1-超亲水区域；2-超疏水区域；3-积雾针；4-雾滴。

具体实施方式

本发明提供了一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，可用于含有雾气捕捉、收集、捕集水滴的逆重力输运、转运和收集的新型材料界面系统的构建，以及用于雾气的收集以及输运体系的构建，为雾气收集、淡水获取等研究方向提供新的思路与应用。

如图1和图2所示，一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，包括界面本体，界面本体的表面分为超亲水区域1和超疏水区域2，超亲水区域1和超疏水区域2均为条带状，超亲水区域1和超疏水区域2在长度方向上同向延伸、在宽度方向上交替排列。超亲水区域1的宽度优选为0.25-2毫米；超疏水区域2的宽度优选为0.25-2毫米。超亲水区域1和超疏水区域2合作的本质是，超亲水区域1上的球/冠状雾滴4可以自发地转移到超亲水区域1表面，由润湿性梯度驱动。相比之下，液体的运输方向相反，也就是从超亲水区域1到超疏水区域2，受到了表面能的阻碍，实现了单向水的输送。

当界面本体由超亲水材料制成时，界面本体本身作为超亲水区域1，可以通过在界面本体上叠加覆盖超疏水材料的方式间隔的形成条带状的超疏水区域2，也可以在界面本体上采用加工进行部分超疏水处理的方式间隔的形成条带状的超疏水区域2。其中，在界面本体上叠加覆盖的具体方式包括粘贴、涂敷、气相沉积、激光刻蚀等，即将超疏水材料粘贴、涂敷、气相沉积、激光刻蚀在界面本体上形成超疏水区域2。其中，最常用的超疏水材料有气相二氧化硅和蜡。其中，在界面本体上采用加工进行部分超疏水处理的方式包括采用微加工的方法对界面本体表面进行部分超疏水处理，或采用激光加工的方法对界面本体表面进行部分超疏水处理。

当界面本体由超疏水材料制成时，界面本体本身作为超疏水区域2，可以通过在界面本体上叠加覆盖超亲水材料的方式间隔的形成条带状的超亲水区域1，也可以在界面本体上采用加工进行部分超亲水处理的方式间隔的形成条带状的超亲水区域1。其中，在界面本体上叠加覆盖的具体方式包括粘贴、涂敷或激光刻蚀等，即将超亲水材料粘贴、涂敷或激光刻蚀在界面本体上形成超亲水区域1。其中，最常用的超亲水材料有滤纸、海绵、棉花、纸板，以及鞣酸和A200按照1:1混合的溶液。其中，在界面本体上采用加工进行部分超亲水处理的方式包括采用微加工的方法对界面本体表面进行部分超亲水处理，或采用激光加工的方法对界面本体表面进行部分超亲水处理。

当界面本体既不是由超亲水材料制成也不是由超疏水材料制成时，可以通过在界面本体上叠加覆盖超亲水材料或超疏水材料的方式间隔的形成条带状的超亲水区域1或超疏水区域2，也可以在界面本体上采用加工进行部分超亲水处理的方式间隔的形成条带状的超亲水区域1或超疏水区域2。

本发明的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，其在超亲水区域1设置有多个积雾针3，多个积雾针3均伸出于界面本体的表面0.5-2.5毫米，并且积雾针3与界面本体的表面呈45°-135°夹角。积雾针3在超亲水区域1内以等间距布置为佳，积雾针3的间距最小为2.3mm，这样才能保证雾滴4的有效收集；基于收集效率的考虑，积雾针3的间距一般最大不超过5mm。按照积雾针3材质来讲，可以有钢、铝、铜加工制成。本发明实现了雾水的收集，包括(1)积雾针3高效捕捉微小的雾滴4，(2)积雾针3将收集的雾滴4定向运输至超亲水区域1，以及(3)在超亲水区域1中快速储存雾水。

上述捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面的其中一种制备方法，具体按照如下步骤进行：

步骤一：采用能加工、能改性、超亲水的基底材料制备界面本体；

步骤二：对采用微加工的方法对界面本体的表面进行部分超疏水处理，或采用微加工切割双面胶，在将一面粘贴超疏水材料，再将其另一面粘贴于超亲水材料的界面本体表面使界面本体表面形成超亲水区域1和超疏水区域2等距相间的图案；

步骤三：在超亲水区域1等距等高度均匀排列一定数量的钢针作为积雾针3，完成可捕捉雾气中雾滴4并将所积液滴自驱动定向收集功能界面的制造。

下面通过几个具体的实施例对本发明作进一步的详细描述。以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1：

将3cm×3cm×0.5cm的超亲水海绵或滤纸、棉花、纸板，或以鞣酸和A200一比一混合的溶液涂敷以形成超亲水基底，一面铺以相间0.5mm，宽度0.5mm的超疏水条带，形成在长度方向上同向延伸、在宽度方向上交替排列的条带状的超亲水区域1和超疏水区域2，并在超亲水区域1等距插入约2.3mm以上钢针(或铜针、铝针)作为积雾针3，制成捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，背面接一根软管，其余部分密封。软管的另一端用量筒接收液体，在雾气吹拂的条件下，雾气能够在针尖碰撞从而凝结成水滴，当水滴碰到亲疏水结合的表面，就会在表面能的作用下被压入软管中，并在量筒中被收集，而不是从亲疏水表面中溢出，从而证明其液体自泵能力，经过实验证明，在20分钟收集到约7ml水。

实施例2

采用微加工的方式将铜整体加工铸造成以3cm×3cm×0.5cm的金属板，上面带有等距(2.3mm)以上钢针作为积雾针3。超亲水基底采用厚度为0.05mm的方形铜片，将其抛光，并将其浸泡在浓度为2.5mol/L的氢氧化钠和0.13mol/L的亚硫酸氢铵混合溶液中24小时，取出铜片，洗去表面碱性溶液，烘干，得到超亲水铜片的基底，将制备得到原始超亲水铜片的基底，放置在真空容器中，真空度为0.09Mpa，加入0.5ml氟硅烷，常温放置24小时后取出。之后再用微加工的方式将以0.5mm的距离将其超疏水表面磨掉，将其处理为在长度方向上同向延伸、在宽度方向上交替排列的条带状的超亲水区域1和超疏水区域2。在雾气吹拂的条件下，雾气能够在积雾针3的针尖碰撞从而凝结成水滴，当水滴碰到亲疏水结合的表面，就会在表面能的作用下在清水表面凝结，将液滴收集。

实施例3

在超亲水圆柱形海绵的表面沿母线铺以相间0.5mm，宽度0.5mm的超疏水条带，形成在长度方向上同向延伸、在宽度方向上交替排列的条带状的超亲水区域1和超疏水区域2，并在超亲水区域1等距插入约2mm钢针作为积雾针3，并在其下插入一根软管，制成能够360°捕捉雾气中液滴并将所积液滴自驱动定向液滴收集器。由于其是圆柱形，因此在自然界中可以收集来自各个方向的雾气，从而大大提升了收集能力，经过实验，在十分钟约收集了4～5ml液体。

尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，包括界面本体，其特征在于，所述界面本体的表面分为超亲水区域和超疏水区域，所述超亲水区域和所述超疏水区域均为条带状，所述超亲水区域和所述超疏水区域在长度方向上同向延伸、在宽度方向上交替排列；所述超亲水区域设置有多个积雾针，所述积雾针伸出于所述界面本体的表面。

2.根据权利要求1所述的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，其特征在于，所述超亲水区域的宽度为0.25-2毫米；所述超疏水区域的宽度为0.25-2毫米。

3.根据权利要求1所述的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，其特征在于，所述积雾针伸出于所述界面本体的表面0.5-2.5毫米。

4.根据权利要求1所述的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，其特征在于，所述积雾针与所述界面本体的表面呈45°-135°夹角。

5.根据权利要求1所述的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，其特征在于，所述积雾针在所述超亲水条带区域内等间距布置，该间距为2.3mm-5mm。

6.根据权利要求1所述的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，其特征在于，所述积雾针为钢针、铝针、铜针中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，其特征在于，所述超疏水区域由超疏水材料的所述界面本体形成，或者在所述界面本体上叠加覆盖超疏水材料形成，或者对所述界面本体采用加工的方式进行部分超疏水处理形成。

8.根据权利要求7所述的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，其特征在于，所述叠加覆盖为粘贴、涂敷、气相沉积或激光刻蚀中的一种，所述加工的方式为微加工或激光加工，所述超疏水材料为气相二氧化硅、蜡或氟硅烷。

9.根据权利要求1所述的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，其特征在于，所述超亲水区域由超亲水材料的所述界面本体形成，或者在所述界面本体上叠加覆盖超亲水材料形成，或者对所述界面本体采用加工的方式进行部分超亲水处理形成。

10.根据权利要求9所述的一种捕捉并自驱动定向收集雾气液滴的功能界面，其特征在于，所述叠加覆盖为粘贴、涂敷或激光刻蚀中的一种，所述加工的方式为微加工或激光加工，所述超亲水材料为滤纸、海绵、棉花、纸板、超亲水铜片、超亲水玻璃，或者鞣酸和A200按照1:1混合的溶液。