CN112095098A - 具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法。本发明包括氧化锌纳米棒、氢氧化铜纳米线的制备、聚二甲基硅氧烷(PDMS)的接枝等步骤。具有规则凸起阵列的滑移表面材料不仅具有极好的耐候性，在其表面涂覆硅油后具有较好的锁油能力，在长时间放置后仍具有稳定的滑动能力。除此之外，此滑动表面上表现出独特的微滴定向泵送，液滴不再依附于额外的能量输入、液滴凝结或合并，实现了微小液滴的定向运输。对于超亲水锥形铜针，垂直插入在凸起中心，促进液滴在凸起顶部凝结及运输，改善了雾气收集的整体过程。因此，基于稳定高效的水雾收集能力和材料表面长期稳定的润湿性，这类水雾收集组合可以大规模推广。

Description

具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及两类具有耐候性的有规则凸起阵列、滑移表面的材料及超亲水锥形铜针及其水雾收集装置的制备方法。
背景技术
具有集水性能的材料近年来受到越来越多的关注，水雾收集过程可以分为三部分：水滴的捕捉、水滴的供应(凝结)以及水滴的运输收集。然而，现在许多研究集中在水雾收集的某一个过程。现有的润湿性表面大多只能单向运输液滴，执行单一功能，无法实现多向操纵液滴和同时执行多个任务。一些依赖于液滴聚结或凝结生长来提供液滴驱动力的方法严重降低了这些表面在实际应用中的效率。另外，由于表面清洁度决定了它们在液滴操纵方面的性能，这些材料几乎不能回收利用。因此，仍需要寻求具有多功能液滴操纵能力的新型功能性润湿性表面，用于集水等应用。
控制滴降凝结对于集水系统是非常重要的。因此，设计能使液滴迅速增大并尽可能快地脱落的材料表面十分关键。然而，基于微尺度、纳米尺度或分子尺度结构的方法存在许多问题，这使得它很难同时优化液滴生长和运输。自然界中，昆虫和植物利用表面能量梯度或非对称几何生成驱动力，在不提供额外能量的情况的定向运输水。通常的集水系统无法输送直径在几百微米或更小的液滴。为了解决这个挑战，有两种可选的方法:要么提高驱动力或降低接触角滞后。相邻液滴的聚结可以用来产生这种增强的驱动力，因为表面积的减小释放了额外的做功能量，但由于其很大程度上不可控的特性以及对单个液滴的不适用性，使得其不能被广泛采用。或者，采用具有低接触角滞后的表面是一种优化方法。因此采用液体灌注表面，即固体材料表面引入一层液体，这将导致无缺陷的流体界面对水具有很好的滑动，可以改善以上问题。总之，如何设计一个优异的装置来提高水雾收集效率仍然是一个很大的挑战。
通过模板压片，在锌片上压出规则凸起，然后利用化学刻蚀法成功在锌片表面制备出氧化锌纳米棒。具有规则凸起的锌片从原始的疏水表面转变成超亲水表面。通过紫外光照射，将聚二甲基硅氧烷接枝到ZnO纳米棒上，从而使其变成超疏水表面。将粘度为10cst的硅油在1000-2000rpm转速下旋涂在超疏水表面。氧化锌与接枝的聚二甲基硅氧烷之间具有较强的作用力，使得具有规则凸起锌片表面的疏水性特别稳定。除了表面微纳结构对油层产生的毛细力，硅油与表面接枝的PDMS还具有分子间作用力，因此，表面的油层可以稳定存在。在不同的角度下(0°、30°、45°、60°、90°)进行水雾收集，60°角度下具有规则凸起、滑移表面收水效率最高。对比原始的平面锌片及原始具有规则凸起的锌片，水雾收集质量提升了大约242％和181％。与制备的单独的具有亲水锥形铜针和具有规则凸起、滑移表面材料相比较，将具有规则凸起阵列、滑移表面的材料与超亲水锥形铜针组装用于水雾收集，收集率大约为2.087g*h-1*cm-1。另外，在室温下放置很久后，制备的样品表面润湿性并未发生明显的变化。因此，基于稳定高效的水雾收集能力和材料表面长期稳定的润湿性，这种将具有规则凸起阵列、滑移表面的材料与超亲水锥形铜针组装在一起(锥形铜针垂直于插入到凸起中心)的水雾收集组合可以大规模推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单、方便、可工业化生产的集合具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底与超亲水铜针组装在一起的水雾收集组合，不仅利用了材料的圆锥形貌促进液滴的移动，还结合表面化学进一步改善水收集过程中的捕捉、凝结与运输过程。解决了集水材料制备步骤繁杂、制备材料含氟等有毒物质、实用性低的问题。原始的锌片水雾收集能力较差，通过利用滑移表面的低接触角滞后以及规则凸起的聚集效应，微小液滴可以迅速凝结成大液滴并向凸起部位泵输，再进一步结合超亲水锥形铜针加速液滴的吸收及移除，能量消耗大大降低。本发明通过简单的方法制备并设计了一种组合：具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底，超亲水锥形铜针垂直插入基底上的凸起中心，这种组合进一步提升了水收集效率，具有稳定的润湿性能、高效持久的水雾收集能力、可重复利用性，其有利于大规模推广和制备。
实现本发明目的的技术方案是：
具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm2的片；选用4*6小钢珠排布的模板，小钢珠直径为1.2mm，钢珠之间的距离为0.5cm，在12-14MPa的压力下在锌片上压出规则凸起，凸起顶部出现规则的孔；为了除去锌片表面的污染物，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗3-5min，然后在氮气流下干燥；
B.化学刻蚀法制备具有ZnO纳米棒的表面：将步骤A获得的模板压过的具有规则凸起的锌片放入体积分数为2％-5％的甲酰胺水溶液中，在63-68℃下保持20-24h，反应结束后，取出用乙醇清洗，放入真空干燥箱中干燥10-20min；
C.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片的制备：将PDMS刷涂到步骤B获得的基底上，用紫外光照射40-50min，形成了超疏水表面；将粘度为10cst的硅油在1000-2000rpm转速下旋涂在超疏水表面；
D.化学刻蚀法制备具有氢氧化铜表面的锥形铜针：首先，选取长度为1cm的铜针，为了除去铜针表面的污染物，用乙醇、去离子水分别超声清洗5-10min，然后用0.1M盐酸溶液去除氧化层；然后，将处理过的铜针放入1M氢氧化钠与0.05M过硫酸铵混合水溶液中刻蚀40-60min，用去离子水清洗过后放在真空干燥箱中干燥5-10min；
E.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底与超亲水铜针组装在一起的水雾收集组合：取一块2*3cm2的具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底，将长度为1cm的超亲水锥形铜针垂直插入到每个凸起中心，锥形铜针与地面保持水平，此组合与出雾口距离保持在4-6cm，水雾收集实验一次周期测量持续时间为30min，用于水收集实验的加湿器的流量和速度分别约为0.0556g s-1和25cm s-1，在实验中，样品周围的温度和相对湿度分别为25℃和65％。
进一步的，步骤A中，模板压片时，模板与锌片必须对齐，施加在表面的力必须均匀。
进一步的，步骤B中，将模板压过的具有规则凸起的锌片放入甲酰胺水溶液中时，锌片需要垂直贴壁放置，凸起侧面向烧杯。
进一步的，步骤C中，在紫外光照射下，聚二甲基硅氧烷接枝到ZnO纳米棒上，以共价键方式结合。
进一步的，步骤D中，铜针在1M氢氧化钠与0.05M过硫酸铵碱溶液中刻蚀，溶液必须混合均匀。
进一步的，步骤E中，铜针表面具有超亲水润湿性及结构梯度，与表面具有规则凸起阵列滑移性的锌片组合用于水雾收集，液滴在毛细管作用力及拉普拉斯力下定向泵送。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.工艺简单，原料易得，成本低廉,无毒无害；
2.具有规则无孔凸起、滑移表面的锌片基底具有良好的水收集能力，在不同倾斜角度下均有高效的水雾收集率，倾斜角为60°时收水效率最高，每小时约11.76g，对比原始的锌片，水雾收集率提升了大约242％；
3.将具有规则凸起阵列、滑移表面的材料与超亲水锥形铜针组合在一起应用于水雾收集，每块凸起组装一根铜针时，水雾收集量大约为12.52g/h，二者的组合实现了同时完成水收集的三个过程，当水滴被快速捕捉后，在规则凸起对油层产生弯月板的效果下定向泵输到凸起顶部，在超亲水针的作用下快速运输收集；
4.制备的具有规则凸起阵列、滑移表面的材料与超亲水锥形铜针组装，弯月板产生的毛细力及锥形表面的Laplace压差促进液体的定向运输行为不需要额外的能量输入，减少能量消耗；
5.设计的水雾收集材料以及二者的组合同时结合了表面形貌与化学两方面，收集效率高、持久，可重复利用。
附图说明
图1：实施例1所得是制备方法的总体概述图以及具有规则凸起阵列、滑移表面的材料与超亲水锥形铜针组合的制备过程图和原始锌片、甲酰胺刻蚀后锌片、刻蚀后接枝PDMA后材料表面的电镜图和化学刻蚀锥形铜针电镜图。其中图a是实验总体概述图，图b是不同润湿性材料的制备过程图以及具有规则凸起阵列、滑移表面的材料与超亲水锥形铜针组合的制备过程图和原始锌片、甲酰胺刻蚀后锌片、刻蚀后接枝PDMA后材料表面的电镜图和化学刻蚀锥形铜针电镜图；
图2：实施例2所得是水雾垂直喷射到凸起表面的分析图以及不同表面润湿性材料的水收集图，其中图a-b是水雾垂直喷射到凸起表面的概念图，图c是模板压片所得规则凸起表面材料的示意图，图d是超疏水锌片表面、具有规凸起的超疏水锌片表面在0-30s内，表面成型水珠的光学照片泡沫铜表面，其中图e是水收集的概念图，图f是原始锌片、具有4*6规则无孔凸起的原始锌片、超亲水锌片、具有4*6规则无孔凸起的超亲水锌片、具有不同规则无孔凸起超疏水锌片的水收集质量图。
图3：实施例3所得是表面灌注不同粘度润滑油锌基底及灌注10cst粘度硅油的氢氧化铜基底上液滴的定向泵输情况以及相对应的结构示意图，其中图a-c是凸起为1.2mm直径、表面灌注润滑油粘度为10cst、100cst、350cst情况下，液滴从凸起附近区域定向运输到凸起，图d是液滴在氢氧化铜基底表面上的向运输图；
图4：实施例4所得具有不同无孔凸起数目、滑移表面的锌片及具有规则4*6凸起、滑移表面的锌片在不同倾斜角度下的水收集质量图，图a是灌注硅油后表面分别具有0、2*4、3*4、4*6、5*8、6*10规则凸起的不同锌片水收集质量图，图b是具有规则4*6凸起、滑移表面的锌片在不同倾斜角度下的水收集质量图；
图5：实施例5所得是是液滴在具有规则有孔凸起、滑移表面基底与超亲水锥形铜针组合下的运输图以及不同基底及组合的水收集质量图，其中图a是液滴在规则有孔凸起及锥形铜针共同作用下的定向移动及收集图，图b是具有规则有孔凸起、滑移表面基底与超亲水锥形铜针组合的集水装置示意图，图c是分别是具有规则4*6无孔凸起、滑移表面的锌片、具有规则4*6有孔凸起、滑移表面的锌片、以及具有规则4*6有孔孔凸起、滑移表面的锌片与锥形铜针组合下的水收集质量图。
图6：实施例6所得是在不同环境下材料表面上油层质量的变化及水收集质量图，其中图a是将样品放置在室外下的示意图，图b是将样品放置在中国兰州室外环境、不同天数下的油层质量变化及水收集质量图，图c是将样品浸入到冷水、不同时间下的油层质量变化及水收集质量图，图d是样品在不同转速下油层质量变化和水收集质量图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
实施例1
1.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm2的片。选用4*6小钢珠排布的模板，小钢珠直径为1.2mm，钢珠之间的距离为0.5cm，在13MPa的压力下在锌片上压出规则凸起，凸起顶部出现0.2mm的孔。为了除去锌片表面的污染物，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗3min，然后在氮气流下干燥。
2.化学刻蚀法制备具有ZnO纳米棒的表面：将模板压过的具有规则凸起的锌片放入体积分数为3％的甲酰胺水溶液中，在65℃下保持24h，反应结束后，取出用乙醇清洗，放入真空干燥箱中干燥10min。
3.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片的制备：将PDMS刷涂到上述处理过的基底上，用紫外光照射40min，形成了超疏水表面。将粘度为10cst的硅油在1000rpm转速下旋涂在超疏水表面。
4.化学刻蚀法制备具有氢氧化铜表面的锥形铜针：首先，选取长度为1cm的铜针，为了除去铜针表面的污染物，用乙醇、去离子水分别超声清洗5min，然后用0.1M盐酸溶液去除氧化层。然后，将处理过的铜针放入1M氢氧化钠与0.05M过硫酸铵混合水溶液中刻蚀40min，用去离子水清洗过后放在真空干燥箱中干燥5min。
5.接枝PDMS时，紫外光照射后，用四氢呋喃将具有规则凸起表面的锌片上未反应PDMS洗去。
实施例2
1.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm2的片。选用4*6小钢珠排布的模板，小钢珠直径为1.2mm，钢珠之间的距离为0.5cm，在13MPa的压力下在锌片上压出规则凸起，凸起顶部出现0.2mm的孔。为了除去锌片表面的污染物，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗3min，然后在氮气流下干燥。
2.化学刻蚀法制备具有ZnO纳米棒的表面：将模板压过的具有规则凸起的锌片放入体积分数为3％的甲酰胺水溶液中，在65℃下保持24h，反应结束后，取出用乙醇清洗，放入真空干燥箱中干燥10min。
3.具有规则凸起阵列、超疏水表面的锌片的制备：将PDMS刷涂到上述处理过的基底上，用紫外光照射40min，形成了超疏水表面。
4.水珠在超疏水锌片表面、具有规则凸起、超疏水锌片表面的状态：用商用加湿器喷水雾到不同样品表面上，在不同时间段拍摄水雾在样品上的附着状态。
5.水雾收集量测试：对具有不同润湿性、不同凸起数目的样品进行水雾收集实验，测量样品每小时收集水的质量，对比不同润湿性平面锌片的收水的质量，超疏水锌片每小时水收集质量最大；进一步比较具有不同规则凸起(0、2*3、3*4、4*6、5*8、6*10)的超疏水锌片水雾收集情况，观察水雾收集质量变化，其中凸起数目为4*6的超疏水锌片收集水雾质量最高；
实施例3
1.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm2的片。选用4*6小钢珠排布的模板，小钢珠直径为1.2mm，钢珠之间的距离为0.5cm，在13MPa的压力下在锌片上压出规则凸起，凸起顶部出现0.2mm的孔。为了除去锌片表面的污染物，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗3min，然后在氮气流下干燥。
2.化学刻蚀法制备具有ZnO纳米棒的表面：将模板压过的具有规则凸起的锌片放入体积分数为3％的甲酰胺水溶液中，在65℃下保持24h，反应结束后，取出用乙醇清洗，放入真空干燥箱中干燥10min。
3.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片的制备：将PDMS刷涂到上述处理过的基底上，用紫外光照射40min，形成了超疏水表面。将粘度为10cst的硅油在1000rpm转速下旋涂在超疏水表面。
4.液滴在不同油层表面及基底上的定向运输状态：将液滴在凸起附近区域滴下，液滴可以在无外力下定向运输至凸起顶部，将液滴滴在相同氧化锌基底、不同粘度油层表面以及氢氧化铜基底情况下此现象均出现。
实施例4
1.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm2的片。选用4*6小钢珠排布的模板，小钢珠直径为1.2mm，钢珠之间的距离为0.5cm，在13MPa的压力下在锌片上压出规则凸起，凸起顶部出现0.2mm的孔。为了除去锌片表面的污染物，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗3min，然后在氮气流下干燥。
2.化学刻蚀法制备具有ZnO纳米棒的表面：将模板压过的具有规则凸起的锌片放入体积分数为3％的甲酰胺水溶液中，在65℃下保持24h，反应结束后，取出用乙醇清洗，放入真空干燥箱中干燥10min。
3.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片的制备：将PDMS刷涂到上述处理过的基底上，用紫外光照射40min，形成了超疏水表面。将粘度为10cst的硅油在1000rpm转速下旋涂在超疏水表面。
4.水雾收集量测试：对具有不同凸起数、滑移表面的样品进行水雾收集实验，测量样品每小时收集水的质量，对比不同凸起数目下收集的水的质量，凸起数为4*6的滑移样品每小时水收集质量最大；进一步在不同放置角度下的具有规则4*6凸起数目的滑移样品进行水雾收集实验，观察水雾收集质量变化，其中60°下放置收集水雾质量最高。
实施例5
1.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm2的片。选用4*6小钢珠排布的模板，小钢珠直径为1.2mm，钢珠之间的距离为0.5cm，在13MPa的压力下在锌片上压出规则凸起，凸起顶部出现0.2mm的孔。为了除去锌片表面的污染物，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗3min，然后在氮气流下干燥。
2.化学刻蚀法制备具有ZnO纳米棒的表面：将模板压过的具有规则凸起的锌片放入体积分数为3％的甲酰胺水溶液中，在65℃下保持24h，反应结束后，取出用乙醇清洗，放入真空干燥箱中干燥10min。
3.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片的制备：将PDMS刷涂到上述处理过的基底上，用紫外光照射40min，形成了超疏水表面。将粘度为10cst的硅油在1000rpm转速下旋涂在超疏水表面。
4.化学刻蚀法制备具有氢氧化铜表面的锥形铜针：首先，选取长度为1cm的铜针，为了除去铜针表面的污染物，用乙醇、去离子水分别超声清洗5min，然后用0.1M盐酸溶液去除氧化层。然后，将处理过的铜针放入1M氢氧化钠与0.05M过硫酸铵混合水溶液中刻蚀40min，用去离子水清洗过后放在真空干燥箱中干燥5min。
5.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底与超亲水铜针组装在一起的水雾收集组合：取一块4*6cm2的具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底，将长度为1cm的超亲水锥形铜针垂直插入到每个凸起中心，锥形铜针与地面保持水平，此组合与出雾口距离保持在6cm，水雾收集实验一次周期测量持续时间为30min，用于水收集实验的加湿器的流量和速度分别约为0.0556g s-1和25cm s-1。在实验中，样品周围的温度和相对湿度分别为25℃和65％。
6.液滴在超亲水在锥形铜针与具有规则凸起、滑移表面的氧化锌基底组合体上的定向运输状态：将液滴在凸起附近区域滴下，液滴可以在无外力下定向运输至凸起顶部，液滴一旦接触到超亲水锥形铜针立即沿着针向下移动被收集。
7.水雾收集量测试：对不同组合的样品进行水雾收集实验，测量样品每小时收集水的质量，对比(a)具有规则4*6无孔凸起、滑移表面样品；(b)具有规则4*6有孔凸起、滑移表面材料；(c)具有4*6规则有孔凸起+超亲水锥形铜针组合的集水质量，具有4*6规则有孔凸起+超亲水锥形铜针组合每小时水收集质量最大。
实施例6
1.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm2的片。选用4*6小钢珠排布的模板，小钢珠直径为1.2mm，钢珠之间的距离为0.5cm，在13MPa的压力下在锌片上压出规则凸起，凸起顶部出现0.2mm的孔。为了除去锌片表面的污染物，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗3min，然后在氮气流下干燥。
2.化学刻蚀法制备具有ZnO纳米棒的表面：将模板压过的具有规则凸起的锌片放入体积分数为3％的甲酰胺水溶液中，在65℃下保持24h，反应结束后，取出用乙醇清洗，放入真空干燥箱中干燥10min。
3.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片的制备：将PDMS刷涂到上述处理过的基底上，用紫外光照射40min，形成了超疏水表面。将粘度为10cst的硅油在1000rpm转速下旋涂在超疏水表面。
4.化学刻蚀法制备具有氢氧化铜表面的锥形铜针：首先，选取长度为1cm的铜针，为了除去铜针表面的污染物，用乙醇、去离子水分别超声清洗5min，然后用0.1M盐酸溶液去除氧化层。然后，将处理过的铜针放入1M氢氧化钠与0.05M过硫酸铵混合水溶液中刻蚀40min，用去离子水清洗过后放在真空干燥箱中干燥5min。
5.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底与超亲水铜针组装在一起的水雾收集组合：取一块4*6cm2的具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底，将长度为1cm的超亲水锥形铜针垂直插入到每个凸起中心，锥形铜针与地面保持水平，此组合与出雾口距离保持在6cm，水雾收集实验一次周期测量持续时间为30min，用于水收集实验的加湿器的流量和速度分别约为0.0556g s-1和25cm s-1。在实验中，样品周围的温度和相对湿度分别为25℃和65％。
6.不同环境下样品的耐候性及水雾收集量测试：(1)室外放置条件下，对放置不同天数的样品进行水雾收集实验及灌注油层的质量变化测试，测量样品每小时收集水的质量；(2)浸泡入冷水条件下，对浸泡不同时间的样品进行水雾收集实验及灌注油层的质量变化测试，测量样品每小时收集水的质量；(3)不同剪切力条件下，对不同转速下的样品进行水雾收集实验及灌注油层的质量变化测试，测量样品每小时收集水的质量。
原理分析：在本发明中，制备的基底材料具有规则椭球形凸起，这个凸起利用模板压制而成，当压力达到14Mpa时，凸起顶部出现一个规则的空心孔。首先通过甲酰胺刻蚀在材料表面刻蚀出氧化锌纳米棒，然后接枝PDMS，使表面润湿性从亲水性变为超疏水性。在此基础上，在材料表面(凸起侧)灌注硅油作为润滑油，然后将超亲水锥形铜针垂直插入到凸起顶部的孔中(针与孔之间留有一定空隙)。
需要注意的是，表面的凸起与周围的平面之间有高度差，灌注润滑油以后会出现油层的弯月板，弯月板的存在可以给滴落在凸起周围的液滴提供一个毛细驱动力，此时液滴将不需要借助外力的作用下向凸起处泵输。当液滴移动到凸起顶部接触到超亲水针时，在润湿性梯度以及锥形针产生的Laplace压差下，液滴从凸起顶部被运输到针的底部，进而被收集储存。以上就是水雾收集过程中液滴的运动情况。
总结：本发明提供了具有高效水雾收集能力的材料，特别涉及两类具有耐候性的有规则凸起阵列、滑移表面的材料及超亲水锥形铜针及其用于水雾收集的方法。本发明包括氧化锌纳米棒、氢氧化铜纳米线的制备、聚二甲基硅氧烷(PDMS)的接枝等步骤。具有规则凸起阵列的滑移表面材料不仅具有极好的耐候性，在其表面涂覆硅油后具有较好的锁油能力，在长时间放置后仍具有稳定的滑动能力。除此之外，此滑动表面上表现出独特的微滴定向泵送，液滴不需要合并或持续增长，实现了微小液滴的定向运输，不再依附于额外的能量输入、液滴凝结或合并，显示了理想的液滴泵送和水收集效率。对于超亲水锥形铜针，垂直插入在凸起中心，促进液滴在凸起顶部凝结及运输，改善了雾气收集的整体过程。一旦雾滴被滑移材料表面捕捉，微小液滴在毛细力下被快速运输到凸起顶部，在超亲水铜针的作用下吸收并滴下收集。对比原始的锌片，具有规则凸起阵列的滑移表面材料水雾收集质量提升了大约242％，组装的水雾收集装置具有很高的水雾收集效率，大约为2.087g*h-1cm-1。因此，基于稳定高效的水雾收集能力和材料表面长期稳定的润湿性，这类水雾收集组合可以大规模推广。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm2的片；选用4*6小钢珠排布的模板，小钢珠直径为1.2mm，钢珠之间的距离为0.5cm，在12-14MPa的压力下在锌片上压出规则凸起，凸起顶部出现规则的孔；为了除去锌片表面的污染物，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗3-5min，然后在氮气流下干燥；
B.化学刻蚀法制备具有ZnO纳米棒的表面：将步骤A获得的模板压过的具有规则凸起的锌片放入体积分数为2％-5％的甲酰胺水溶液中，在63-68℃下保持20-24h，反应结束后，取出用乙醇清洗，放入真空干燥箱中干燥10-20min；
C.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片的制备：将PDMS刷涂到步骤B获得的基底上，用紫外光照射40-50min，形成了超疏水表面；将粘度为10cst的硅油在1000-2000rpm转速下旋涂在超疏水表面；
D.化学刻蚀法制备具有氢氧化铜表面的锥形铜针：首先，选取长度为1cm的铜针，为了除去铜针表面的污染物，用乙醇、去离子水分别超声清洗5-10min，然后用0.1M盐酸溶液去除氧化层；然后，将处理过的铜针放入1M氢氧化钠与0.05M过硫酸铵混合水溶液中刻蚀40-60min，用去离子水清洗过后放在真空干燥箱中干燥5-10min；
E.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底与超亲水铜针组装在一起的水雾收集组合：取一块2*3cm2的具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底，将长度为1cm的超亲水锥形铜针垂直插入到每个凸起中心，锥形铜针与地面保持水平，此组合与出雾口距离保持在4-6cm，水雾收集实验一次周期测量持续时间为30min，用于水收集实验的加湿器的流量和速度分别约为0.0556g s-1和25cm s-1，在实验中，样品周围的温度和相对湿度分别为25℃和65％。
2.如权利要求1所述的具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法，其特征在于：步骤A中，模板压片时，模板与锌片必须对齐，施加在表面的力必须均匀。
3.如权利要求1所述的具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法，其特征在于：步骤B中，将模板压过的具有规则凸起的锌片放入甲酰胺水溶液中时，锌片需要垂直贴壁放置，凸起侧面向烧杯。
4.如权利要求1所述的具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法，其特征在于：步骤C中，在紫外光照射下，聚二甲基硅氧烷接枝到ZnO纳米棒上，以共价键方式结合。
5.如权利要求1所述的具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法，其特征在于，步骤D中，铜针在1M氢氧化钠与0.05M过硫酸铵碱溶液中刻蚀，溶液必须混合均匀。
6.如权利要求1所述的具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法，其特征在于：步骤E中，铜针表面具有超亲水润湿性及结构梯度，与表面具有规则凸起阵列滑移性的锌片组合用于水雾收集，液滴在毛细管作用力及拉普拉斯力下定向泵送。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113959890A (zh) * 2021-10-15 2022-01-21 东华大学 一种空气集水模拟测试仪器
CN114714010A (zh) * 2022-05-06 2022-07-08 江苏大学 一种具有锥形微孔和多级锥形微柱的Janus膜及其制备方法和应用
CN114921175A (zh) * 2022-05-19 2022-08-19 湖北大学 一种用于高性能液滴和气泡操控的磁响应复合凝胶表面的制备方法
CN114934562A (zh) * 2022-07-01 2022-08-23 西安交通大学 一种可程序化操控的水雾净化收集与运输的方法
CN115446944A (zh) * 2022-10-13 2022-12-09 南京林业大学 一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法及其辐射装置
CN116833078A (zh) * 2023-05-30 2023-10-03 武汉科技大学 一种液滴体量监测装置及其制备方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101864571A (zh) * 2009-04-15 2010-10-20 中国科学院工程热物理研究所 一种制备铜基超疏水表面的方法
WO2012100099A2 (en) * 2011-01-19 2012-07-26 President And Fellows Of Harvard College Slippery surfaces with high pressure stability, optical transparency, and self-healing characteristics
US20150224539A1 (en) * 2011-02-28 2015-08-13 Research Foundation Of The City University Of New York Polymer having superhydrophobic surface
CN106367739A (zh) * 2016-12-02 2017-02-01 江苏理工学院 一种黄铜基超疏水微结构表面的制备方法
CN107164746A (zh) * 2017-04-27 2017-09-15 武汉科技大学 减阻铜表面的制备方法
EP3343164A1 (en) * 2016-12-29 2018-07-04 Nbd Nanotechnologies, Inc. Functional coatings enhancing condenser performance
CN110385246A (zh) * 2019-05-30 2019-10-29 湖北大学 具有水收集功能的微纳结构超滑表面的制备方法
CN111069001A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 上海大学 一种具有仿生疏水-亲水表面的材料及其制备方法和应用
CN111411353A (zh) * 2020-01-20 2020-07-14 湖北大学 具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水表面的锥形铜针用于水雾收集的方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101864571A (zh) * 2009-04-15 2010-10-20 中国科学院工程热物理研究所 一种制备铜基超疏水表面的方法
WO2012100099A2 (en) * 2011-01-19 2012-07-26 President And Fellows Of Harvard College Slippery surfaces with high pressure stability, optical transparency, and self-healing characteristics
US20150224539A1 (en) * 2011-02-28 2015-08-13 Research Foundation Of The City University Of New York Polymer having superhydrophobic surface
CN106367739A (zh) * 2016-12-02 2017-02-01 江苏理工学院 一种黄铜基超疏水微结构表面的制备方法
EP3343164A1 (en) * 2016-12-29 2018-07-04 Nbd Nanotechnologies, Inc. Functional coatings enhancing condenser performance
CN107164746A (zh) * 2017-04-27 2017-09-15 武汉科技大学 减阻铜表面的制备方法
CN110385246A (zh) * 2019-05-30 2019-10-29 湖北大学 具有水收集功能的微纳结构超滑表面的制备方法
CN111069001A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 上海大学 一种具有仿生疏水-亲水表面的材料及其制备方法和应用
CN111411353A (zh) * 2020-01-20 2020-07-14 湖北大学 具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水表面的锥形铜针用于水雾收集的方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUI ZHOU等: "Excellent fog droplets collector via an extremely stable hybrid hydrophobic-hydrophilic surface and Janus copper foam integrativesystem with hierarchical micro/nanostructures", 《JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》 *
PARISA MOAZZAM等: "Mist harvesting using bioinspired polydopamine coating and microfabrication", 《DESALINATION》 *
彭周亮等: "基于激光微纳制造技术在工程材料基底构筑超疏水表面的技术及应用进展", 《功能材料》 *
邵建文等: "仿生超疏油材料在苛刻工况条件下的应用", 《化学进展》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113959890A (zh) * 2021-10-15 2022-01-21 东华大学 一种空气集水模拟测试仪器
CN114714010A (zh) * 2022-05-06 2022-07-08 江苏大学 一种具有锥形微孔和多级锥形微柱的Janus膜及其制备方法和应用
CN114714010B (zh) * 2022-05-06 2023-09-26 江苏大学 一种具有锥形微孔和多级锥形微柱的Janus膜及其制备方法和应用
CN114921175A (zh) * 2022-05-19 2022-08-19 湖北大学 一种用于高性能液滴和气泡操控的磁响应复合凝胶表面的制备方法
CN114934562A (zh) * 2022-07-01 2022-08-23 西安交通大学 一种可程序化操控的水雾净化收集与运输的方法
CN115446944A (zh) * 2022-10-13 2022-12-09 南京林业大学 一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法及其辐射装置
CN115446944B (zh) * 2022-10-13 2023-08-08 南京林业大学 一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法及其辐射装置
CN116833078A (zh) * 2023-05-30 2023-10-03 武汉科技大学 一种液滴体量监测装置及其制备方法
CN116833078B (zh) * 2023-05-30 2024-05-24 武汉科技大学 一种液滴体量监测装置及其制备方法

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