CN112090710A - 一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜及其制备方法 - Google Patents

一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜及其制备方法，它涉及水收集领域。本发明的目的是为了解决目前平面双面神膜存在超疏水面雾气冷凝效果较差；超亲水面对水的粘附力较大，水滴不容易滴落以及无法捕获平行方向的雾气问题。本发明受仙人掌刺的不对称微观几何形状和沙漠甲虫背部凸起和疏水/亲水性交替微观图案的启发，结合飞秒激光加工技术提出了一种具有液滴自吸式的分级亲水/疏水/鼓包协同的双面神膜(HHHBJ)。本发明制备的HHHBJ膜雾水收集效率比Janus膜效率更高，更能适应恶劣的自然环境。本发明应用于雾水收集领域。

Description

一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜及其制备 方法
技术领域
本发明涉及水收集领域，具体涉及一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜及其制备方法。
背景技术
淡水短缺危及数十亿人的生存，近些年来随着科学技术的发展，人们开始探讨各种收集淡水的装置。雾由悬浮在大气中的大量细小水滴组成，占地球上所有淡水的近10％。因此，从空气中收集雾水可能是获取淡水的有希望的低成本和较低环境影响的选择。根据以前的研究报告理想的雾水收集装置主要跟以下几个因素有关：1)水雾良好的冷凝能力2)水滴快速转移3)水滴及时的去除能力4)防止已收集水的二次蒸发。
传统水雾收集装置主要受到自然界生物的启发，如仙人掌(不对称结构和双面神结构，)、沙漠甲虫(亲疏相间表面和鼓包结构，)等；亲疏相间的收集装置雾气冷凝效果好但是由于整个过程均在表面，难以避免水的二次蒸发。具有微孔的双面神收集装置水滴转移速度较快但雾气冷凝效果差并且超亲水面的接触角太小影响水的去除。单一的仿生结构虽然有某一方面的优势但是往往不能同时满足以上四个因素，水雾收集得效率较低。
张自洋，发表的《飞秒激光制备“雾水收集”复合双面神膜的方法研究》一文中，采用铝箔与PDMS(聚二甲基硅氧烷)复合材料作为加工对象，采用飞秒激光微纳米加工技术对复合材料加工成疏水和亲水层，得到双面神膜，实现雾水收集。由于该文献中给出的双面神膜是基于铝箔与PDMS复合材料制备而成，因此该双面神膜存在以下问题：1)由于铝箔与PDMS存在材料间的差异，造成加工的锥形孔不规则，拉普拉斯压力减弱影响水的传输速度2)铝箔颗粒与PDMS颗粒会相互溅射，即铝箔表面掺杂PDMS颗粒，PDMS表面掺杂有铝箔颗粒，这样会导致复合膜(Janus膜)只是普通的疏水到亲水而不能实现超疏水到超亲水，润湿性差异较小是影响水滴传输速度的重要因素。3)该双面神膜上表面仅仅是疏水严重影响雾气的冷凝，这也是影响雾水收集效率的重要因素。4)最主要的是，该双面神膜不能拦截横向经过双面神膜表面的雾气，无法适应恶劣的自然环境。
公开号CN109626317A，发明名称为：一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜及其制备方法，在铝箔上采用激光打孔，然后用氟化处理最后再用激光扫描完全去除下表面氟化区域制备超疏水/超亲水膜(Janus膜)。该方案无法拦截横向经过双面神膜表面的雾气，在超疏水面雾气冷凝效果较差，并且超亲水面对水的粘附力较大，水滴不容易滴落。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前平面双面神膜存在超疏水面雾气冷凝效果较差；超亲水面对水的粘附力较大，水滴不容易滴落以及无法捕获平行方向的雾气问题，而提供一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜及其制备方法。
本发明的一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜的制备方法，它是按照以下步骤进行的：
1)将铝箔置于加工平台上，采用飞秒激光对铝箔进行打孔制备超亲水膜；
2)在加工平台上原位用疏水喷剂修饰超亲水膜制备超疏水膜；
3)采用飞秒激光进行二次扫描，选择性去除超疏水涂层露出超亲水区域；
4)采用直径2.5mm的玻璃球按压出凸起结构，即可制备出所述的多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜；
其中，飞秒激光的参数为：打孔功率200-400mw，打孔时间300-1000ms，孔间距为250um；扫描功率50mw，扫描间距10um；并设定激光入射铝箔的一面为下表面，反面为上表面。
进一步地，步骤1)中采用飞秒激光对铝箔进行打孔制备上下表面均为超亲水的膜，其中，超亲水膜的下表面和上表面的接触角分别为4°和8°。
进一步地，步骤2)中用疏水喷剂修饰超亲水膜制备超疏水膜，其中，超疏水膜下表面和上表面的接触角分别为157°和156°。
进一步地，步骤3)中选择性去除超疏水涂层露出超亲水区域，所述的区域为相邻两个孔之间的区域；其中，下表面和上表面的整体接触角分别为36°和138°。
进一步地，步骤3)中选择性去除超疏水涂层露出超亲水区域，所述的超亲水区域为正方形结构。
进一步地，步骤4)中采用直径2.5mm的玻璃球按压使铝箔上表面出现凸起结构。
本发明的双面神膜由疏水层、铝箔层和亲水层组成；所述的疏水层设置于铝箔层的上表面，亲水层设置于铝箔层的下表面；双面神膜上并排开设多个锥形孔，锥形孔的孔半径从铝箔膜疏水层到亲水层逐渐增大；在疏水层上每相邻两排锥形孔之间设置有一排正方形超亲水区，疏水层上设置有多个鼓包结构，且鼓包结构表面疏水；亲水层每个孔洞内部及周围区域是超亲水，但孔洞之间有超疏水的涂层。
进一步地，所述的亲水层的亲水区域沿锥形孔周向设置有一圈超亲水区域，其它区域均为超疏水。
进一步地，所述的锥形孔内部均为超亲水。
进一步地，所述的正方形超亲水区是由飞秒激光扫描出的多个正方亲水区组成。
本发明受仙人掌刺的不对称微观几何形状和沙漠甲虫背部凸起和疏水/亲水性交替微观图案的启发，结合飞秒激光加工技术提出了一种具有液滴自吸式的分级亲水/疏水/鼓包协同的双面神膜(HHHBJ)(图1)。与传统的雾水收集装置相比，HHHBJ展示了以下几个优势：1.保留了双面神系统优良的液滴转移速度同时避免水滴二次蒸发能力(上表面冷凝的水及时传输到下表面被保存起来)。2.改善了液滴的冷凝方式：超疏水面的鼓包结构降低了边界层厚度使雾气可以有效的撞击到结构表面，更容易发生冷凝现象；引入的方形超亲水区域发生膜状冷凝(形成一层水膜)，超疏水区域发生滴状冷凝(形成球状的水滴)，表面能差异使得超疏水区域的球形液滴被转移到超亲水区域上，水膜增长的速度更快，同时也加速更新新鲜的超疏水区域，有利于后续雾气继续发生滴状冷凝；超亲水区域的水膜增大到一定程度一旦接触到微孔就会在润湿性驱动力和拉普拉斯力的联合作用下被吸收到下表面。3.下表面的超疏水区域降低了粘附力使得水滴更容易掉落下来()。在表面能的驱动下HHHBJ可以实现无重力高效捕雾、定向送水、快速储水等功能。本发明提出了一个先进的雾收集的方案，对于有效的缓解农业和社会缺水。
相比较而言，张自洋《飞秒激光制备“雾水收集”复合双面神膜的方法研究》一文中利用飞秒激光加工铝箔/PDMS复合材料可以制备双面神膜(Janus)但是存在的4个问题影响实际雾水收集的效率：1)锥形孔洞不均匀2)制备的双面神膜是疏水/亲水膜，不能制备超疏水/超亲水膜3)疏水面的雾气冷凝效果差4)受环境影响无法捕获水平方向的雾流。公开号CN109626317A，发明名称为：一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜及其制备方法采用飞秒激光在铝箔表面制备双面神膜(Janus，超疏水/超亲水)，其特点是较大的润湿性差异和锥形孔的形貌梯度大幅度提高了水滴的转移速度，水滴可以自发地从超疏水面转移到超亲水面。但是同样存在1)超疏水面的雾气冷凝效果差2)超亲水面水滴不容易滴落3)平面结构的双面神膜无法捕获水平方向的雾流。
研究表明：1)(超)亲水/(超)疏水协同的表面比单一的超亲水表面或者超疏水表面雾气冷凝的效果更好，这是影响雾水收集的重要因素。2)单个锥形孔的润湿性差异是驱动水滴从孔内快速转移的重要因素之一，因此保证每个锥形孔上表面超疏水下表面及孔内部超亲水是至关重要的3)保证每个锥形孔上下最大化润湿性差异的同时，适当的在膜的下表面保留锥形孔洞之间的超疏水区域可以增大整体的接触角，使水滴更容易滴落从而被收集起来。4)参考沙漠甲虫背部麻点结构，引入凸起可以可以捕获水平方向的雾流。(具体加工方法参照图2)本发明综合以上考量为了最大化增强雾水收集的效率利用飞秒激光加工技术在铝箔表面制备了具有液滴自吸式的分级亲水/疏水/鼓包协同的双面神膜(HHHBJ)。实验证明HHHBJ膜雾水收集效率比Janus膜效率更高，更能适应恶劣的自然环境。(图6)
附图说明
图1多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜的设计方案图；a图沙漠甲虫背部鼓包和亲疏水相间结构；b图为仙人掌刺锥形结构，在拉普拉斯压力(ΔF)作用下水滴可以自发从锥刺顶端到底部运动；c图为双面神膜，在润湿性梯度力(FW)水滴可以自发从超疏水面向超亲水面移动；d图为多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜(HHHBJ)；
图2多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜加工示意图和特征；a图为飞秒激光打孔铝箔制备超亲水铝膜；b图为超疏水试剂改性超亲水铝膜制备超疏水铝膜；c图飞秒激光二次扫描选择性去除超疏水涂层，露出超亲水图案，制备超亲超疏相间的双面神膜；d图采用玻璃球按压制备多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜(HHHBJ)；
图3飞秒激光打孔铝箔锥形孔扫描电镜显微镜图；
图4鼓包结构在冷凝方面的优势；a图超疏水膜，表面冷凝较大的水滴；b图双面神膜，由于水滴可以自发从超疏水面转移到超亲水面所以表面残留的水滴较少；c图超疏水+鼓包膜，表面的水滴相比于超水表面更密集体积更大表明鼓包对冷凝有加成作用，d图双面神膜+鼓包膜，由于存在鼓包结构双面神膜+鼓包膜比双面神膜表面冷凝的水滴更多，双面神结构又可以及时把水滴转移到下表面所以比超疏水+鼓包膜表面残留的水滴少；
图5两种不同的亲属相间双面神膜雾水收集效率；
图6基于多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜的雾收集装置；图中，a图雾水收集装置图，b图60分钟各种膜收集到水的质量；其中，b图中A为雾流方向平行膜表面，B为雾流方向与膜表面夹角45°，c为雾流方向垂直膜表面。
具体实施方式
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
材料选用34um的铝箔；飞秒激光的相关参数为：打孔功率:300mw,打孔时间500ms,孔间距为250um；扫描功率50mw,扫描间距10um。我们规定激光入射铝箔的一面为下表面，反面为上表面。本实施例的具体制备步骤如下：
一、飞秒激光在铝箔上打孔制备超亲水膜，其对应的下表面和上表面的接触角分别为4°和8°；
二、在加工平台上原位用超疏水喷剂Glaco(购买自日本SOFT 99株式会社集团)修饰超亲水膜，制备超疏水膜，其对应的下表面和上表面的接触角分别为157°和156°；
三、飞秒激光二次扫描，原位选择性去除超疏水膜表面的Glaco涂层露出部分超亲水亲水区域；其对应的下表面和上表面的接触角分别为36°和138°；
四、采用直径2.5mm的玻璃球按压出凸起结构，即可制备多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜。
为了测试实施例1制备的HHHBJ膜最佳的冷凝和去除的能力，分别对鼓包、上表面的方形超亲水区域面积占比、下表面圆形超亲水区域面积占比进行了实际集水测试。
1)为了研究鼓包结构对雾气捕获的影响设置了超疏水膜、双面神(Janus)膜、超疏水+鼓包膜、Janus+鼓包(BJ)膜实验对照；鼓包上薄薄的边界层可以实现微小液滴的有效碰撞有利于雾气冷凝，实验证明超疏水+鼓包膜比超疏水膜冷凝效果更好水滴更集中体积更大，超疏水+鼓包膜表面水滴最大直径约750um。在双面神+鼓包膜(BJ)和双面神膜(Janus)表面发现了同样的冷凝规律，BJ膜冷凝效果更好最大水滴直径约350um。由于BJ膜能及时把水滴转移到背面所以表面残留的水滴要比超疏水+鼓包膜少的多(图4)。
2)为了上表面不同超亲水区域面积占比对冷凝的影响，设置了Janus、TPJ-6、TPJ-5、TPJ-4、TPJ-3、TPJ-2、TPJ-1(上表面方形超亲水区域的面积占比分别为0、45.45％、34.08％、22.72％、17.04％、11.36％、5.68％)组，实验结果TPJ膜收集水的效果均超过Janus膜，并且TPJ-3(超亲水区域面积占比17.04％)收集到水最多，冷凝效果最好(图5a)。
3)为了研究下表面不同圆形超亲水区域面积占比对水滴去除能力的影响，设置了Janus、BPJ-5、BPJ-4、BPJ-3、BPJ-2、BPJ-1(下表面圆形超亲水区域的额面积占比分别为100％、88.1％、78.54％、46.81％、30.58％、17.50％)实验结果BPJ膜收集水的效果在Janus膜上下浮动，并且BPJ-4(超亲水区域面积占比78.54％)收集到水最多，去除效果最好。BPJ-1不能收集到水是因为上下表面润湿性差异太小，破坏了双面神的结构，水滴无法从上表面转移到下表面(图5b)。
为了证明HHHBJ膜实际雾水收集的效率还设置了4个对照组：1.双面神膜(Janus)(CN109626317A公开的Janus膜)；2.下表面有圆形超亲水图案的双面神膜(BPJ-4)；3.有凸起结构的双面神膜(BJ)；4.上表面有方形超亲水图案的双面神膜(TPJ-3)。实际结果如图6b所示：HHHBJ膜雾水收集效率远高于普通Janus膜及其他膜。

Claims (10)

1.一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜的制备方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
1)将铝箔置于加工平台上，采用飞秒激光对铝箔进行打孔制备超亲水膜；
2)在加工平台上原位用疏水喷剂修饰超亲水膜制备超疏水膜；
3)采用飞秒激光进行二次扫描，选择性去除超疏水涂层露出超亲水区域；
4)采用直径2.5mm的玻璃球按压出凸起结构，即可制备出所述的多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜；
其中，飞秒激光的参数为：打孔功率200-400mw，打孔时间300-1000ms，孔间距为250um；扫描功率50mw，扫描间距10um；并设定激光入射铝箔的一面为下表面，反面为上表面。
2.根据权利要求1所述的一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜的制备方法，其特征在于步骤1)中采用飞秒激光对铝箔进行打孔制备上下表面均为超亲水的膜，其中，超亲水膜的下表面和上表面的接触角分别为4°和8°。
3.根据权利要求1所述的一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜的制备方法，其特征在于步骤2)中用疏水喷剂修饰超亲水膜制备超疏水膜，其中，超疏水膜下表面和上表面的接触角分别为157°和156°。
4.根据权利要求1所述的一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜的制备方法，其特征在于步骤3)中选择性去除超疏水涂层露出超亲水区域，所述的区域为相邻两个孔之间的区域；其中，下表面和上表面的整体接触角分别为36°和138°。
5.根据权利要求1或4所述的一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜的制备方法，其特征在于步骤3)中选择性去除超疏水涂层露出超亲水区域，所述的超亲水区域为正方形结构。
6.根据权利要求1所述的一种多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜的制备方法，其特征在于步骤4)中采用直径2.5mm的玻璃球按压使铝箔上表面出现凸起结构。
7.如权利要求1制备的多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜，其特征在于所述的双面神膜由疏水层、铝箔层和亲水层组成；所述的疏水层设置于铝箔层的上表面，亲水层设置于铝箔层的下表面；双面神膜上并排开设多个锥形孔，锥形孔的孔半径从铝箔膜疏水层到亲水层逐渐增大；在疏水层上每相邻两排锥形孔之间设置有一排正方形超亲水区，疏水层上设置有多个鼓包结构，且鼓包结构表面疏水；亲水层每个孔洞内部及周围区域是超亲水，但孔洞之间有超疏水的涂层。
8.根据权利要求7所述的多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜，其特征在于所述的亲水层的亲水区域沿锥形孔周向设置有一圈超亲水区域，其它区域均为超疏水。
9.根据权利要求7所述的多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜，其特征在于所述的锥形孔内部均为超亲水。
10.根据权利要求7所述的多生物特征启发的“雾水收集”复合双面神膜，其特征在于所述的正方形超亲水区是由飞秒激光扫描出的多个正方亲水区组成。
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