CN111250869B - 一种制备具有超亲水/超疏水图案的铝片的方法及应用 - Google Patents

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Abstract

一种制备具有超亲水/超疏水图案的铝片的方法及应用，通过激光扫描铝片表面，结合氟硅烷溶液对表面进行改性，得到高稳定性的超疏水铝片表面。再对超疏水铝片表面进行超亲水图案处理，在铝片表面扫描出各种阵列的楔角超亲水图案，得到超亲水/超疏水复合超亲润铝片表面。将制备后的铝片水平固定在容器上部，组装成简易雾气收集装置，配合雾气机，进行雾气收集。很多水滴同时在楔角内依靠拉普拉斯力自发运动至图案内部的楔角阵列边缘附近汇合，当液滴重力大于粘附力时，便掉落至容器内。此雾气收集装置上部铝片水平放置在容器上，使铝片或楔角图案的每个区域均处在相同的浓度的雾气中，且楔角以阵列式分布，可提高铝板的利用率和提高雾气收集效率。

Description

一种制备具有超亲水/超疏水图案的铝片的方法及应用
技术领域
本发明涉及一种制备具有超亲水/超疏水图案的铝片的方法及应用，属于楔角图案化制备及雾气收集技术领域。
背景技术
如今，世界上很多地区，水资源匮乏，人们的日常用水难以得到保证，尤其在沙漠地区，水资源更是难以觅见，但在沙漠区域，时常会出现大雾天气，雾气中水分的收集是解决沙漠地区水资源匮乏的关键举措。纳米布沙漠的Stenocara甲虫基于其背部含有亲水阵列的超疏水结构使其具有惊人的雾气水收集能力，超疏水结构上具有超亲水区域是一种复合的超亲润性质，这种超亲水/超疏水表面具有较高的雾气收集能力。
近年来，雾气收集领域的研究也越来越多。专利CN110080337A公开了一种雾气收集机，该装置将空气中的雾气凝结到格栅网，最终流入储水槽，由出水管路流出被收集，该装置结构较为复杂，空间利用率较低。专利CN209101432U公开了一种雾气收集机，该装置通过湿度感应器的感应，判断当地的空气湿度，最终决定是否进行吸气，本装置的设备控制较为复杂。专利CN106320441A公开了一种多叶片式雾气收集装置，该装置带有多个可沿其中心转动的雾气收集叶片水蒸气在转动的叶片上凝结，达到收集水的效果，此装置的雾气收集效率不稳定。
发明内容
本发明的目的是结合纳秒激光制备一种雾气收集装置，用于在沙漠里高效的收集雾气。利用纳秒激光对超疏水铝片进行刻蚀，制备超亲水图案，为了提高雾气收集的效率，我们在铝片上制备各种阵列的楔角图案，将制备的铝片贴附于水收集瓶上部，进行雾气收集。
本发明的技术方案：
一种制备具有超亲水/超疏水图案的铝片的方法，步骤如下：
(1)超亲水楔角图案的预制备：将铝片表面用砂纸进行打磨，用去离子水进行清洗，50～80℃温度条件下烘干；将烘干的铝片放置在激光扫描平台，调整铝片与激光的相对距离为194mm，使铝板上表面在激光的焦点上；调整激光参数：激光功率为6～15W、扫描速度为200～500mm/s、频率为20KHz、脉冲宽度为100ns、波长为1064nm，扫描出具有均匀粗糙结构的铝片表面；将扫描后的铝片清洗干净后浸泡在1wt.％氟硅烷的无水乙醇溶液中30分钟，对表面进行改性处理，然后在50～80℃温度条件下烘干，得到超疏水铝片表面；
(2)再将上述超疏水铝片放置在激光扫描平台，再次对激光进行对焦，使超疏水铝片上表面在激光的焦点上，并调整好激光参数，使其与步骤(1)中的激光参数相同；绘制出阵列的超亲水楔角图案，控制楔角的角度为4°，然后控制激光器在超疏水铝表面扫描出超亲水楔角图案，并在阵列的中间，用激光刻蚀出一个圆孔，即得具有超亲水/超疏水图案的铝片。
将具有超亲水/超疏水图案的铝片水平粘附在水收集瓶上方，即完成雾气收集装置。
所述的铝片为6061铝合金材料。
可以通过改变激光的扫描功率来控制超亲水区域刻蚀的深度；通过提高激光的扫描速度，来提高超亲水图案的制备效率。可以通过改变铝板的面积、超亲水图案的尺寸和水接收容器的口径，来改变雾气收集的收集效率。
以上制备出的雾气收集装置在使用时，雾气会与超亲水/超疏水复合表面接触，并在超亲水楔形图案上形成水滴，在拉普拉斯力的驱使下，运动到超亲水图案中间圆形周边，并聚集，当聚集到重力大于粘附力时，便会降落至下方容器。
本发明的有益效果：
(1)利用这种方法制备雾气收集装置，其过程简单，整体效率较高，装置简易，容易组装，且成本低。
(2)利用氟硅烷对铝板改性，超疏水性质可在空气环境中维持较长时间，同样用激光对超疏水铝片进行超亲水图案化刻蚀，超亲水图案也可在空气中保持较长时间的超亲水性。总之，所制备的雾气收集装置具有较好的稳定性，可使用较长时间。
(3)利用激光对超疏水铝片进行超亲水图案化处理，可以通过改变激光功率来改变超亲水图案的深度。同样可以通过改变激光扫描面积，改变超亲水区域尺寸，以适应不同的雾气环境。
附图说明
图1是雾气收集的超亲水图案的制备装置示意图。
图2是超亲水/超疏水复合图案铝板示意图。
图3是雾气收集的装置示意图。
图中：1激光发生器；2超亲水/超疏水复合图案铝板；3水接收容器；4激光；5水滴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本发明是用纳秒激光制备超浸润圆形阵列楔角复合铝片，并用于雾气收集，如图1所示，超亲水楔角图案周围为超疏水区域，超亲水区域内部为一镂空区域，液体在此聚集，并落入水接收器。
(1)将铝片用砂纸打磨并清洗，放置在激光焦点处，控制激光参数，配合使用1wt.％浓度氟硅烷的无水乙醇溶液，制备出超疏水铝片表面。将获得的超疏水表面同样放在激光焦点处，使用相同的激光参数，并在电脑端的专用软件上绘制出如图2所示的图案，进行扫描，得到超亲水楔角阵列，再在阵列中心进行镂空，得到最终用于雾气收集的复合超浸润铝片表面。
(2)将铝片安装在水收集容器上部，即可进行雾气收集实验。在使用激光进行扫描超亲水图案时，控制好激光的扫描功率，扫描出合适的图案深度，以便提高雾气收集效率。
实施例1
超亲水/超疏水复合楔角图案铝片，制备简单，成本低。其中圆形阵列的楔角图案可以较高的提高雾气收集效率。
对于完全未处理的6061铝片用砂纸打磨，除掉表面的氧化物，随后在去离子水中清洗，并在80℃烘箱中烘干，将烘干后的铝片放置在激光的焦点(194mm)处，调整激光参数(激光功率为9W、扫描速度为300mm/s、频率为20KHz，脉冲宽度为100ns，波长为1064nm)，对铝片表面进行扫描，将扫描后的铝片用去离子水清洗，除去表面的金属铝粉尘，烘干后浸泡在1wt.％浓度氟硅烷的无水乙醇溶液，再次在80℃下烘干，便制备出超疏水铝表面。随后在激光机的运行软件上，绘制出圆形阵列的楔形亲水图案，楔角为4°，在超疏水表面上扫描出如图2所示的超亲水图案，并在图案中心进行镂空。便完成了超亲水/超疏水复合铝片的制备。最后，将铝片装在水收集容器上部，便组装成雾气收集装置(如图3)，进行雾气收集实验。
最终，使用雾气模拟雾气环境，进行了30分钟的雾气收集实验，经电子秤测量，收集得到29581.7mg水，具有较高的收集效率。

Claims (1)

1.一种制备具有超亲水/超疏水图案的铝片的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)超亲水楔角图案的预制备：将铝片表面用砂纸进行打磨，用去离子水进行清洗，50～80℃温度条件下烘干；将烘干的铝片放置在激光扫描平台，调整铝片与激光的相对距离为194mm，使铝片上表面在激光的焦点上；调整激光参数：激光功率为6～15W、扫描速度为200～500mm/s、频率为20KHz、脉冲宽度为100ns、波长为1064nm，扫描出具有均匀粗糙结构的铝片表面；将扫描后的铝片清洗干净后浸泡在1wt.％氟硅烷的无水乙醇溶液中30分钟，对表面进行改性处理，然后在50～80℃温度条件下烘干，得到超疏水铝片表面；
(2)再将上述超疏水铝片放置在激光扫描平台，再次对激光进行对焦，使超疏水铝片表面在激光的焦点上，并调整好激光参数，使其与步骤(1)中的激光参数相同；绘制出阵列的超亲水楔角图案，控制楔角的角度为4°，然后控制激光器在超疏水铝片表面扫描出超亲水楔角图案，并在阵列的中间，用激光刻蚀出一个圆孔，即得具有超亲水/超疏水图案的铝片；
将具有超亲水/超疏水图案的铝片水平粘附在水收集瓶上方，即完成雾气收集装置。
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