CN111069001A - 一种具有仿生疏水-亲水表面的材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有仿生疏水‑亲水表面的材料及其制备方法和应用。所述具有仿生疏水‑亲水表面的材料，是通过在具有亲水性微米凸起的亲水‑疏水区域相间存在的复合型表面上构建纳米凸起而形成的具有微纳复合型疏水‑亲水表面的材料；所述微米凸起的分布密度为1000个/cm2‑3000个/cm2。

Description

一种具有仿生疏水-亲水表面的材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于仿生材料领域，具体涉及一种仿生疏水-亲水表面及其制备方法和应用。
背景技术
水资源是生命之源，虽然水资源的总储量很大但大部分都是以海水形式存在，可使用的淡水资源却十分有限，严重制约着国民生活。尤其是在干旱的沙漠地区，不仅地表淡水资源十分匮乏，而且降雨少，水资源稀缺。但这些地方一般昼夜温差较大，在夜间时空气湿度较大，因此可以设计一些高效集水材料来捕获空气中的淡水资源以缓解这些地区的水资源危机。
水汽冷凝分为两种模式：滴状冷凝和膜状冷凝。与膜状冷凝相比，滴状冷凝能够使液滴从基体材料上有效脱离，增加冷凝的换热系数从而提高集水的效率。滴状冷凝的接触角临界值为70.7°，而常用工业冷凝表面的表面能通常都较高表现出亲水性难以实现高效率的滴状冷凝，因而常采用降低表面能的方法来构建超疏水的表面。当材料表面水滴接触角小于90°时称为亲水状态，当水滴接触角在90°-150°之间时称为疏水状态，而材料表面水滴接触角大于150°时就称为超疏水状态了。受到自然界中许多植物和昆虫体表特殊的疏水特性的启发，如荷叶、仙人掌和甲壳虫等，国内外众多专家对超疏水材料制备技术以及对常规金属或合金材料的超疏水表面改性已经开展了大量的研究，并逐渐将其应用于工业和生活领域的各个领域。大量研究表明这种仿生疏水-亲水材料表面，在实际集水、防雾、自清洁、防冰冻中都有十分优异的效果。例如在专利CN110170747A中对铝合金表面进行改性制备出了一种仿生耦合集水铝合金防冰冻表面，该方法先利用激光雕刻机对铝合金表面进行激光烧蚀处理使其表面具有微纳米层级结构，然后均匀旋涂一层全氟辛基三乙氧基硅烷，得到超疏水表面，再在真空中干燥固化处理，最后再次进行激光刻蚀加工得到仿生耦合集水铝合金防冰冻表面。专利CN109208101A、CN109208102A、CN102776785B等都采用类蜘蛛丝的结构制成了集水纤维。但是当前对仿生超疏水表面的研究主要集中于完全超疏水表面，或者集中于对仿蜘蛛丝的纤维状结构的研究，而对于超疏水超亲水相间的仿甲壳虫表面的工作相对较少。但疏水-亲水交替的复合表面具有十分优良的滴状冷凝效果，在集水领域有非常巨大的研究潜力。
如上所述，甲壳虫背部亲水区和疏水区域交替分布的微纳复合型表面结构，在集水领域的应用潜力很大。但是目前对亲水-疏水表面制备的技术的研究不够充分，主要是在金属表面构建粗糙结构然后利用低表面能的含氟化合物修饰的修饰得到超疏水表面，然后将亲水性聚合物进行选区涂覆的方法得到疏水-亲水复合型表面。专利CN106009791A提出一种超亲水颗粒杂化的超疏水涂层及其制备方法，该方法首先用氟硅烷对纳米SiO2溶胶进行改性得到超疏水涂层原料，然后将超亲水颗粒如硅微粉、玻璃微珠加入到超疏水的溶液中，待微粒分散均匀后将其喷涂到金属基片上，固化后即得到超亲水颗粒杂化的超疏水涂层。专利CN109702345A提出一种不锈钢疏水-亲水表面及其制备方法，该方法利用脉冲激光处理工艺对不锈钢表面进行多次改性，该方法首先利用脉冲激光扫描处理将不锈钢表面改性成为超亲水表面，然后采用烘烤的方法将超亲水表面制成超疏水表面，最后对全疏水表面再次进行脉冲激光处理得到呈楔形或三角形的亲水-疏水交替排列的表面。上述方法虽能实现滴状冷凝提高冷凝传热效率，但成本较高，工艺复杂，施工条件苛刻，且均采用金属材料，耐腐蚀性较差，使用寿命较短。
鉴于上述背景，提供一种高效率低成本且工艺简单的仿生疏水-亲水复合表面及其制备方法和应用，对提高集水效率、缓解用水压力、降低能耗具有十分重要的意义。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种新型的具有仿生疏水-亲水表面的材料及其制备方法，能有效实现液滴的滴状冷凝和快速脱落。此外，本发明还提供了上述具有仿生疏水-亲水表面的材料在集水领域的应用。
第一方面，所述材料是通过在具有亲水性微米凸起的亲水-疏水区域相间存在的复合型表面上构建纳米凸起而形成的具有微纳复合型疏水-亲水表面的材料；所述微米凸起的分布密度为1000个/cm2-3000个/cm2。
较佳地，所述纳米凸起的分布密度为1000个/μm2～3000个/μm2。
较佳地，通过将其中分散有亲水微粒的疏水聚合物分散液涂覆在基体上形成具有微米级球形凸起的全疏水表面、再将凸起部分顶端的疏水聚合物涂层去除从而形成所述具有亲水性微米凸起的疏水-亲水区域相间存在的复合型表面。
较佳地，所述亲水微粒的尺寸为40-100μm；优选为70-90μm。
较佳地，所述亲水微粒的添加量是分散液的10-30wt％。
较佳地，水滴在所述仿生疏水-亲水表面疏水区域的静态接触角为90-130°，滚动角为10-30°。
第二方面，本发明还提供上述具有仿生疏水-亲水表面的材料的制备方法，包括以下步骤：1)将亲水微粒分散在疏水聚合物中得到分散液；2)将分散液涂覆在基体上，形成具有凸起的全疏水型表面；3)将凸起部分顶端的疏水聚合物涂层去除形成表面具有亲水性微米凸起的疏水聚合物基体；4)在具有亲水性微米凸起的疏水聚合物基体表面构建纳米凸起，获得微纳复合型表面。
较佳地，所述疏水聚合物是水性树脂和/或溶剂型树脂；优选地，所述水性树脂包括水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、及其衍生物中的一种或多种；所述溶剂型树脂包括溶剂型丙烯酸树脂、溶剂型环氧酚醛树脂、溶剂型环氧树脂、溶剂型聚氨酯树脂、及其衍生物中的一种或多种。
较佳地，所述亲水微粒包括金属、金属氧化物、二氧化硅、碳酸钙、硅微粉、玻璃微珠中至少一种；优选地，所述亲水微粒包括二氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化锆、碳酸钙、硅微粉、玻璃微珠中的一种或多种。
较佳地，所述将凸起的亲水微粒表面的疏水层去除以获得局部亲水表面的方法包括机械打磨、湿化学腐蚀、激光刻蚀、等离子轰击或者紫外辐照。
较佳地，所述在涂层表面构建纳米凸起的方法包括等离子体处理、激光刻蚀。
本发明的具有仿生疏水-亲水表面的材料的制备方法具有以下有益效果：1)通过简单的工艺制备了疏水-亲水相间的结构；2)通过构建纳米凸起，对亲水/疏水材料的亲水/疏水能力进行了加成，使得传统的亲水/疏水材料的性能能够超过某些特殊材料(如含氟化合物修饰的材料)，进而能够获得优秀的集水性能。
第三方面，本发明还提供了上述具有仿生疏水-亲水表面的材料在集水领域中的应用。
附图说明
图1是本发明提供的仿生疏水-亲水表面的制备流程图；
图2是本发明得到的全疏水表面的SEM图；
图3是本发明提供的仿生疏水-亲水表面的SEM图；
图4是液滴在本发明提供的仿生疏水-亲水表面接触角测试图；
图5是本发明提供的仿生疏水-亲水表面经等离子处理后的纳米级结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解为，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
本发明受甲壳虫背部微观结构的启发，具体涉及一种具有仿生疏水-亲水表面的材料及其制备方法及应用。所述具有仿生疏水-亲水表面的材料，是通过在具有亲水性微米凸起的亲水-疏水区域相间存在的复合型表面上构建纳米凸起(也可以称为纳米阵列)而形成的具有微纳复合型疏水-亲水表面的材料。一些实施方式中，通过将其中分散有亲水性微粒的疏水聚合物分散液涂覆在基体上形成具有微米级圆形凸起的全疏水表面、再将凸起部分顶端的疏水聚合物涂层去除从而形成所述具有亲水性微米凸起的疏水-亲水区域相间存在的复合型表面。
本发明在仿生表面上设置有微米凸起，所述微米凸起的顶部经除膜处理后为亲水区，而其余仿生表面为疏水区。一些实施方式中，所述微米凸起的分布密度为1000个/cm2～3000个/cm2。微米凸起数量在此分布范围内能有效实现滴状冷凝。在疏水聚合物中添加亲水微粒，涂覆在基底上能获得良好的超疏水性，水滴在其表面粘附性极低能快速成核，同时微米凸起的存在使液滴轻易脱附。与激光刻蚀、光刻、化学沉积等方法构建微米级阵列相比，操作简单且操作条件温和，能耗低，在后续实验中简单打磨去除涂层即可得到亲水区域，无需单独配制亲水性聚合物溶液，化学试剂用量小，是一种环境友好型制备方法。
一些实施方式中，纳米凸起的分布密度为1000个/μm2～3000个/μm2。若纳米凸起分布密度过高则不利于滴状液滴的快速成核和长大，而纳米凸起分布密度过低则不利于液滴的及时脱落，都会使集水效率降低。
上述仿生疏水-亲水表面，包括：1)涂覆有添加亲水性微粒的疏水聚合物的基体，2)在基体表面分布有微米凸起，3)在微米凸起上分布有纳米阵列，4)在疏水聚合物涂层表面分布有纳米阵列。
本发明提供的仿生疏水-亲水表面分布有多个子阵列，每个子阵列又由亲水区和疏区交替排列组成。其中，仿生表面在疏水表面上分布有亲水区域，所述亲水区域为微米凸起的顶部结构。另外，所述仿生表面还具有仿甲壳虫的微纳复合的凹凸结构。一些实施方式中，微米凸起的直径为50～110μm，高度为20～80μm，间距为50～400μm。而纳米凸起不仅分布在疏水区域，还分布在作为亲水区域的微米凸起上，纳米凸起的作用是进一步增加亲水区域亲水性或者疏水区域的疏水性，使传统疏水(亲水)材料获得超疏水(超亲水)特性。一些实施方式中，所述纳米凸起的直径为10～200nm，深度10～100nm，间距为10～200nm。需要说明的是，不同的材料，增加其疏水(亲水)特性的纳米结构的尺寸并不一样，实施例只是举例而非限定。
另外，水滴在所述仿生疏水-亲水表面疏水区域的静态接触角为90-130°，滚动角为10-30°。而且，水滴在上述仿生疏水-亲水表面亲水区域的静态接触角可低于30°。
优选地，所述微米凸起为圆形。在本发明所述的仿生表面有圆形的凸起，与其他形状子阵列相比材料表面对液滴产生的附加压力更小，在对水雾进行冷凝过程中能更高效的形成球状液滴，纳米级粗糙结构的存在使亲水区更加亲水疏水区更加疏水，使亲疏水区的差异更明显，多级粗糙结构能够液滴主动向间隙区域移动，进一步在疏水区域实现了球状液滴的快速脱附，能有效提高集水效率。
本发明通过以下技术方案实现：采用在疏水聚合物溶液中添加亲水性微粒并涂膜的方法得到凹凸结构的微米级结构，再对其凸起部分顶部做除膜处理得疏水-亲水区域交替存在表面，最后在涂层表面构建纳米级阵列(即纳米凸起)得到仿甲虫背部微纳米层级复合结构表面。该表面具有微纳复合的凹凸结构，每个子阵列为多个亲水区和疏水区交替排列。
以下结合图1示出上述制备方法的具体步骤。
首先，将亲水微粒分散在疏水聚合物(即成膜树脂)中得到分散液。
上述成膜树脂的种类不受限制。所述成膜树脂可以是水性树脂和/或溶剂型树脂(水性树脂是以水作为分散介质的树脂体系，树脂与水形成溶液，待水挥发后，形成树脂膜材料。而溶剂型树脂则是以有机溶剂作为分散介质的树脂体系)。所述水性树脂包括但不限于水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、以及其衍生物中的一种或多种。所述溶剂型树脂包括但不限于溶剂型丙烯酸树脂、溶剂型环氧酚醛树脂、溶剂型环氧树脂、溶剂型聚氨酯树脂、以及其衍生物中的一种或多种。
上述亲水微粒可以是二氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化锆、碳酸钙、硅微粉、玻璃微珠、金属氧化物颗粒中的一种或多种。亲水微粒的形貌包括但不限于单分散链式、单分散球式、立体三角形柱体结构、棱锥状结构、圆锥状结构或针状结构等，优选为球形。上述亲水微粒的尺寸可为40-100μm，作为优选尺寸为70-90μm。一些实施方式中，所述亲水微粒的添加量为分散液的10-30wt％。
然后，将所得分散液涂覆在基底(即基体)上，得到微米级凹凸相间的结构和全疏水型表面。由于亲水微粒的添加，形成微米级凹凸相间的涂层表面。其中，凸起部分由表面包裹成膜树脂的亲水微粒形成。另外，由于成膜树脂(疏水性)均匀包裹在亲水微粒表面，所述涂层表面为全疏水型表面。所述分散液的涂覆方式不受限制，包括但不限于浸渍、刮涂、喷涂、辊涂、刷涂、旋涂中任意一种。基体的种类和形状不受限制，例如基底可包括铜片、镍片、铝片、不锈钢片、玻璃、陶瓷、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯、PET膜中的任意一种。
又，基底的形状可包括平表面，曲表面或异形表面等。
随后，将凸起的亲水微粒表面的疏水层(即除膜处理)去除以获得局部亲水表面。所述将凸起的亲水微粒表面的疏水层去除以获得局部亲水的方法包括但不限于机械打磨、湿化学腐蚀、激光刻蚀、等离子轰击或者紫外辐照。
最后，在涂层表面构建纳米级阵列。在涂层表面构建纳米级阵列的方法包括但不限于等离子体处理、激光刻蚀。离子体处理所用气体包括但不限于N2、Ar、H2、CCl4、CF4，处理功率为50w～500w，处理压强为10-100Pa，处理时间大于5min。激光刻蚀所用激光扫描波长小于1500nm，扫描的脉宽小于10ps，例如可为5-10ps，所用激光扫描的重复频率小于800KHz，扫描速度为3m/s，最大脉冲能量小于300μJ。
使用本发明提供的疏水-亲水表面，在室温条件下、相对湿度80％以上时，一个面积为2cm×2cm的复合薄膜在30min内能在未经处理的PET膜的集水效率上可提升50％以上。
现有梯度浸润性表面多采用两种方案来获得。方案一，首先采用激光烧蚀、光刻、湿化学腐蚀的方法在基底表面构建粗糙结构，然后用氟硅烷进行改性并涂覆疏水性涂层，再次激光处理或湿化学腐蚀去除部分疏水涂层得到具有微纳二级结构的梯度浸润性表面。方案二，同方案一加工工艺在基底材料表面构建出微米级粗糙结构，然后涂覆疏水性涂层，最后采用特殊网络遮挡方式选区涂覆亲水聚合物的方式得到疏水-亲水交替存在的复合型表面。
本发明所提供的仿生疏水-亲水表面，以在疏水聚合物溶液中添加亲水性微粒并涂覆在基底材料表面得到的结构为基础，在基体材料表面得到了微米级粗糙结构，然后在所有涂层表面构建出呈密林状生长的纳米凸起，由多个微米级子阵列及多个纳米级子阵列复合而成，每个子阵列又由亲水区和疏区交替排列组成，在很大程度上还原了甲壳虫的背部结构。与方案一相比，方案一虽然具有微纳二级结构及梯度浸润性，但经整个材料表面总体上为疏水型表面，集水效率不如疏水-亲水交替存在的结构高，同时该技术使用到多氟有机物对环境污染大。与方案二相比，方案二虽能得到疏水-亲水相间的表面，但工艺复杂，化学试剂用量大，对涂覆亲水涂层所用网格的制备以及清理过程繁琐。
本发明的制备方法操作步骤少且简单、工艺制备周期短、实验条件温可控且成本低廉、原料用量较少且无持久性污染物对环境污染相对较小，此方法用于制造仿生疏水-亲水表面，构建凹凸结构和得到亲水区域可以一步完成，获得的涂层表面机械性能和抗老化性均较好、集水效率较高。本发明所述制备方法兼顾了成本、环保和工作等多种因素，适用于大批量的工业生产。
上述方法中，为使仿生疏水-亲水表面性能更佳，在所制分散液中还可以添加疏水助剂以增强疏水效果。一些实施方式中，所述疏水助剂可为棕榈蜡乳液、氨基改性硅油、羧基改性硅油、硅丙乳液等。另外，上述疏水助剂在分散液中的质量分数可为2wt％-5wt％。
本发明的优点在于：
1、本发明的仿生疏水-亲水表面的制备方法，原料易得，成本低廉，操作简单，容易实现工业化生产。
2、本发明的仿生疏水-亲水表面的制备方法，无需编制复杂的仿生网络或单独配制亲水性聚合物溶液，工艺简单、工艺周期短、可操作性强同时化学试剂用量相对较小。
3、现有技术中多采用构建粗糙表面然后用含氟化合物修饰的方法得到疏水型表面，但是由于大多数含氟化合物难以光解、水解或生物降解，对环境具有持久性的污染，所以采用低表面聚合物代替含氟化合物能在实现疏水表面构建的基础上有效降低氟污染。
4、本发明的仿生疏水-亲水表面的制备方法，所使用的低表面能聚合物疏水性和所使用亲水材料的亲水性，经纳米阵列的结构加成，疏水性和亲水性得到极大提升，疏水部分水滴静态接触角可高达90°～130°，滚动角可低至10°～30°，亲水凸起部分水滴的静态接触角可低于30°，更容易实现高效滴状冷凝和脱离。
5、本发明的仿生疏水-亲水表面的制备方法所制得的集水表面，环境适应性广，不仅能适用于干旱沙漠地区，还适用于沿海淡水稀缺地区、荒野孤岛以及远洋航海领域，能有效缓解用水压力，实现淡水资源的高效利用。
6、本发明的仿生疏水-亲水表面有十分优良的疏水-亲水性，凸起部分呈球状，材料表面对液滴的附加压力小，能很好的实现水雾(水汽)迅速形核并长大成圆形液滴并及时脱附。
7、本发明受甲壳虫背部复合结构的启发，所制得的一种仿生疏水-亲水表面具有不同维度的子阵列，每个子阵列以亲疏水区域相间的形式存在，亲水区域以凸起形式存在大大增加了与水蒸气的接触面积，使集水效率大为提高，有效克服了当前集水技术的短板。
具体实施方式中仿生疏水-亲水表面的制备方法为先将添加有亲水性微粒的聚合物溶液均匀涂覆在基体材料表面，经固化得具有微米级凹凸结构的全超疏水表面，然后去除凸起顶部疏水涂层得到亲水区，最后利用表面处理技术对基体材料表面处理得到具有微纳复合二级结构，以获得良好亲水-疏水性的表面。
下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例1
将直径为85μm的亲水性SiO2微球超声分散在水性丙烯酸树脂中，得到亲水性SiO2微球质量分数10wt％的均匀分散液。
将分散液用浸渍的方式均匀涂覆在不锈钢基底上，得到微米级凹凸相间的结构和全疏水型表面(如图2所示)。
用干砂纸轻微打磨凸起的亲水性SiO2微球表面的疏水层，除去亲水性SiO2微球表面包裹的水性丙烯酸树脂层，获得局部亲水表面(如图3所示)。
在涂层表面用N2进行等离子体处理，处理功率为300w，压力为30～60pa，处理时间5min，构建出纳米级阵列，得到具有微纳复合型结构的仿生疏水-亲水表面(如图5所示)。
截取2cm×2cm的正方形薄膜，利用集水装置进行水汽收集测试。
实施例2
将直径为40μm的亲水性氧化钛经磁力搅拌均匀分散在水性聚氨酯中，得到亲水性氧化钛质量分数15wt％的分散液。
将分散液均匀刮涂在聚乙烯基底上，得到微米级凹凸相间的结构和全疏水型表面。
用激光刻蚀在涂层表面刻蚀出纳米级的结构，得到具有微纳复合结构的仿生疏水-亲水表面。
截取2cm×2cm的正方形薄膜，利用集水装置进行水汽收集测试。
实施例3
将直径为100μm的亲水性玻璃微珠经磁力搅拌均匀分散在溶剂型环氧酚醛树脂中，得到亲水性玻璃微珠质量分数为20wt％的分散液。
将分散液均匀喷涂到聚丙烯基底表面，得到微米级凹凸相间的结构和全疏水型表面。
用干砂纸轻微打磨凸起的亲水性玻璃微珠表面的疏水层，获得局部亲水表面。
在涂层表面用Ar气进行等离子体处理，处理功率为500w，压力为30pa，处理时间10min，构建出纳米级阵列，得到具有微纳复合型结构的仿生疏水-亲水表面。
截取2cm×2cm的正方形薄膜，利用集水装置进行水汽收集测试。
实施例4
将直径为85μm的亲水性SiO2微粒经磁力搅拌均匀分散在溶剂型环氧树脂中，得到亲水性SiO2微粒质量分数10wt％的分散液。
将分散液均匀刮涂到洁净玻璃基底表面，得到微米级凹凸相间的结构和全疏水型表面。
对表面进行紫外辐照处理，紫外灯功率500W，辐照时间30min，去除凸起部分顶端的疏水涂层，获得局部亲水表面。
对在涂层表面用Ar气进行等离子体处理，处理功率为300w，压力为30～60pa，处理时间10min，构建出纳米级阵列，得到一种具有微纳复合型结构的仿生疏水-亲水表面。
截取2cm×2cm的正方形薄膜，利用集水装置进行水汽收集测试。
实施例5
对实施例1所制得的疏水-亲水表面进行静态水接触角测试，其疏水部分的接触角高达130°，其亲水凸起部分的接触角小于30°。
用本发明提供具有仿生疏水-亲水表面的薄膜进行集水实验，实验装置包括一台市购加湿器，一个薄膜固定装置以及一个集水瓶。薄膜和加湿器间有带孔玻璃罩以减小水雾的冲击力避免其对集水造成影响，加湿器和带孔玻璃罩之间由引雾管链接。
当接通加湿器电源时，水雾经引水管引至玻璃罩中然后经由侧壁的空洞喷至仿生薄膜表面，仿生薄膜收集到的液滴经由薄膜底部流入到其正下方的集水玻璃瓶中。
使用本发明提供的疏水-亲水表面，相对湿度80％以上时，一个面积为2cm×2cm的复合薄膜在30min内能在未经处理基体的集水效率上提升50％以上。
对比例1
将直径为15nm～50nm的亲水性TiO2微球超声分散在水性丙烯酸树脂中，得到亲水性TiO2微球质量分数10wt％的均匀分散液。
将分散液用喷涂的方式均匀涂覆在不锈钢基底上，得到带有凹凸相间结构的全疏水型表面。
用干砂纸轻微打磨去除上述结构凸起部分顶端表面疏水层，获得局部亲水表面。
在涂层表面用N2进行等离子体处理，处理功率为300w，压力为30～60pa，处理时间5min，构建出纳米级阵列，得到具有凹凸结构的仿生疏水-亲水表面。
截取2cm×2cm的正方形薄膜，利用集水装置进行水汽收集测试。
对比例2
将直径为85μm的亲水性SiO2微球超声分散在水性丙烯酸树脂中，得到亲水性SiO2微球质量分数10wt％的均匀分散液。
将分散液用浸渍的方式均匀涂覆在不锈钢基底上，得到微米级凹凸相间的结构和全疏水型表面。
用干砂纸轻微打磨凸起的亲水性SiO2微球表面的疏水层，除去亲水性SiO2微球表面包裹的水性丙烯酸树脂层，获得局部亲水表面。
在涂层表面进行激光烧蚀，激光扫描波长为1030nm，扫描的脉宽小于150fs，扫描线距为30μm，所用激光扫描的重复频率为200KHz，扫描速度为800mm/s。
再次构建出微米级阵列，得到仿生疏水-亲水表面。
截取2cm×2cm的正方形薄膜，利用集水装置进行水汽收集测试。
实施例6
使用实施例中所用集水装置，对比例1所提供的疏水-亲水表面，在相对湿度80％以上，实施例5相同实验条件下进行集水试验，一个面积为2cm×2cm的复合薄膜在30min内能在未经处理基体的集水效率上提升约40％。
实施例7
使用实施例中所用集水装置，对比例2所提供的疏水-亲水表面，在相对湿度80％以上，实施例5相同实验条件下进行集水试验，一个面积为2cm×2cm的复合薄膜在30min内能在未经处理基体的集水效率上提升约30％。

Claims (11)

1.一种具有仿生疏水-亲水表面的材料，其特征在于，所述材料是通过在具有亲水性微米凸起的亲水-疏水区域相间存在的复合型表面上构建纳米凸起而形成的具有微纳复合型疏水-亲水表面的材料；所述微米凸起的分布密度为1000个/cm2-3000个/cm2。
2.根据权利要求1所述的具有仿生疏水-亲水表面的材料，其特征在于，所述纳米凸起的分布密度为1000个/μm2~3000个/μm2。
3.根据权利要求1或2所述的具有仿生疏水-亲水表面的材料，其特征在于，通过将其中分散有亲水微粒的疏水聚合物分散液涂覆在基体上形成具有微米级球形凸起的全疏水表面、再将凸起部分顶端的疏水聚合物涂层去除从而形成所述具有亲水性微米凸起的疏水-亲水区域相间存在的复合型表面。
4.根据权利要求3所述的具有仿生疏水-亲水表面的材料，其特征在于，所述亲水微粒的尺寸为40-100μm；优选为70-90μm。
5.根据权利要求3或4所述的具有仿生疏水-亲水表面的材料，其特征在于，所述亲水微粒的添加量是分散液的10-30wt%。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的具有仿生疏水-亲水表面的材料，其特征在于，水滴在所述仿生疏水-亲水表面疏水区域的静态接触角为90-130°，滚动角为10-30°。
7.权利要求1-6所述的具有仿生疏水-亲水表面的材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将亲水微粒分散在疏水聚合物中得到分散液；2）将分散液涂覆在基体上，形成具有凸起的全疏水型表面；3）将凸起部分顶端的疏水聚合物涂层去除形成表面具有亲水性微米凸起的疏水聚合物基体；4）在具有亲水性微米凸起的疏水聚合物基体表面构建纳米凸起，获得微纳复合型表面。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述疏水聚合物是水性树脂和/或溶剂型树脂；优选地，所述水性树脂包括水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、及其衍生物中的一种或多种；所述溶剂型树脂包括溶剂型丙烯酸树脂、溶剂型环氧酚醛树脂、溶剂型环氧树脂、溶剂型聚氨酯树脂、及其衍生物中的一种或多种。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述亲水微粒包括金属、金属氧化物、二氧化硅、碳酸钙、硅微粉、玻璃微珠中至少一种；优选地，所述亲水微粒包括二氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化锆、碳酸钙、硅微粉、玻璃微珠中的一种或多种。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述将凸起的亲水微粒表面的疏水层去除以获得局部亲水表面的方法包括机械打磨、湿化学腐蚀、激光刻蚀、等离子轰击或者紫外辐照。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在涂层表面构建纳米凸起的方法包括等离子体处理、激光刻蚀。
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