CN112156563A - 一种用于水雾收集的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法 - Google Patents

一种用于水雾收集的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于水雾收集的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法，方法包括喷涂方法制备曲率梯度结构尼龙网，以及刻蚀后得到粗糙度梯度和曲率梯度兼并的尼龙网。这种方法能实现特殊的润湿性并加速水滴汇聚以及向下传导的速率。在2cm×2cm的尼龙网上最大的水滴承载质量达到最低0.22g，在相对雾流量为110g/s/m2时，水收集率达到1688mg/cm2/h。尼龙网具有机械性能强、成本低的特点，处理后的尼龙网的力学性能将进一步提高。因此本发明将提高室外条件下尼龙网的强度并能实现高效的雾水捕获。这种通过简单方法制备的水收集材料能应用于实际并可以大规模推广。

Description

一种用于水雾收集的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种用于水雾收集的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法。
背景技术
水资源短缺已经成为全球性的危机，全球三分之二的人口正面临这一严峻形势。不过，在一些干旱多雾的地区，从空气中收集水正成为获得清洁用水的有效手段。
近年来，研究人员发现蜘蛛丝具有捕捉雾滴的特性，并对其机理进行了研究。蜘蛛丝由亲水性纳米纤维组成，有利于微小液滴的凝聚。当水继续凝结时，蜘蛛丝会收缩成周期性的纺锤结。沿着纺锤结的位置产生曲率梯度和粗糙度梯度，这两个梯度都有助于水的输送和聚结。
基于这一特点，采用多种方法制备了大量的仿生人工纤维，包括电动力学法、浸涂法、微流法、流涂法。电动力学法广泛应用于微纳米纤维的制备，在仿生蜘蛛丝领域，利用该技术制备了具有均匀纺锤结的纤维和具有核壳结构的同轴异质纤维。由于瑞利不稳定性，浸涂法是一种简便的纺锤结纤维制备方法，可以精确控制纺锤结的尺寸。利用微流法可以设计多层非均匀材质相和间歇材质相。微流法和流涂法都能被应用于大量连续的超细仿生纤维的制备中，使其能在应用在实际中。
蜘蛛丝作为一种特殊的天然纤维，具有很高的强度、柔韧性和断裂抑制性能。这种机械性能使其在自然条件下不易破坏其集水特性。尼龙作为一种普适性的合成纤维，已被报道应用于雾收集领域。尼龙具有优异的综合性能，包括力学性能、耐磨性、耐化学性和自润滑性。除此之外，尼龙透明且价格低廉，这使得它作为室外收集雾的原材料更具优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单、方便、可大规模生产的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法。利用喷涂技术将聚甲基丙烯酸甲酯喷涂在尼龙网上，利用了液滴自动汇聚在尼龙节点处的特性形成节点处聚合物厚而远离节点处薄的特性，形成曲率梯度的纤维网。另外利用刻蚀技术刻蚀聚合物表面形成表面粗糙度梯度，从而形成四周往轴节有润湿度增加的一种梯度。这种方法加速了水滴在尼龙网上的汇聚，以及加速了水滴向下传导的速度，从而整体上形成一个高效集水的过程。此方法还减小了水滴在尼龙网上的阻塞效应以及水滴在进入收集器前的二次蒸发效应。本发明通过简单的方法设计并制备了一种具有润湿性梯度的尼龙网，这种尼龙网具有独特的润湿性，提升了水滴收集效率，可以持续利用，并可大规模推广和制备。
实现本发明目的的技术方案是：一种用于水雾收集的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.喷涂法制备具有曲率梯度结构的尼龙网：首先，为了去除尼龙网表面的杂质，用乙醇，去离子水反复清洗；将聚甲基丙烯酸甲酯按质量分数6％-10％溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在50℃搅拌1-1.5h，待聚合物溶解后，用微型喷雾器将PMMA溶液喷洒在尼龙网上；一次少量喷洒，放入烘箱干燥；反复多次喷洒并干燥后制得具有曲率梯度结构的尼龙网；
B.将过氧化氢溶液按体积分数25％-30％加入浓硫酸中制备食人鱼溶液；将步骤A得到的尼龙网进一步浸入食人鱼溶液中1-3s，蚀刻表面结构，然后立即用去离子水冲洗；反复冲洗尼龙网并用pH试纸检测洗涤液呈中性后放入烘箱中干燥5-10min；
C.具有润湿性梯度结构的尼龙网材料的水雾收集：取步骤B制备好的尼龙网，让镊子夹着保持与水平面垂直，放置在集雾口10cm处的地方，用于水收集实验的雾水流速设置为30-110g/s/m2。
进一步的，步骤A中，聚甲基丙烯酸甲酯按质量分数6％-10％溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，其聚合物溶液必需混合搅拌均匀，溶液中不能含有杂质；喷涂时聚合物溶液不能覆盖尼龙网网孔。
进一步的，步骤B中，过氧化氢溶液按体积分数25％-30％加入浓硫酸中，混合时溶液必须震荡。
进一步的，步骤C中，用于水收集实验的雾水流速为110g/s/m2，雾流速平缓均匀，周围温度保持恒温。
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.制备工艺简单，制备条件宽松，制备的尼龙网可大规模生产。
2.制备的网机械性能强，可以放在外界环境下进行实际应用。
3.水滴在尼龙网上停留的最大的水滴质量下降了1/5。
4.被修饰的尼龙网的最大收集质量比原尼龙网提升了1/5。
5.被修饰的尼龙网能有效防止水滴阻塞和快速的运输水的能力。
附图说明
图1为本发明实施例1中具有梯度结构尼龙网的制作示意图。首先通过喷涂聚甲基丙烯酸甲酯溶液进而浸入食人鱼溶液中制作成具有梯度结构尼龙网。
图2为本发明实施例1中具有梯度结构尼龙网的电镜图，其中：(a)为尼龙网交界处的扫描电镜照片。(b)为轴节处的扫描电镜图片，其位置被标识在图a中，图中显示有孔径小于250nm的网格和直径小于80nm的突触。插入的小图显示水滴接触角为70°。(c)为曲率表面中点的扫描电镜图片，该位置的接触角为82°。(d)为连接处的扫描电镜图片，其位置被标识在图a中。插入的小图显示水滴接触角为97°。
图3为本发明实施例3中具有梯度结构尼龙网结点处水滴移动时的图片。图片中的水滴用数字1-6来标记。其中：(a)T＝0s，轴节处的光学照片。(b)T＝15s，雾流中小水滴随机凝结在表面。(c)T＝30s，小液滴开始彼此合并成大液滴。(d)T＝40s，水滴1和2合并并向轴节的方向润湿。(e)T＝48s，水滴3和4合并成大水滴。(f)T＝50s，大水滴1+2，3+4向轴节的方向润湿。(g)T＝68s，水滴1+2，3+4和5在轴节和连接处之间合并成一个大水滴。(h)T＝80s，水滴1+2+3+4+5与垂直一侧的水滴6合并并润湿轴节。
图4为本发明实施例4中具有梯度结构尼龙网与不同润湿性的尼龙网进行水雾收集的效率折线图。其中：(a)四种尼龙网在集水初期的性能表现。(b)四种尼龙网表现的稳定集水效率。
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.喷涂法制备具有曲率梯度结构的尼龙网：首先，为了去除尼龙网表面的杂质，用乙醇，去离子水反复清洗。将聚甲基丙烯酸甲酯按质量分数8％溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在50℃搅拌1h，待聚合物溶解后，用微型喷雾器将PMMA溶液喷洒在尼龙网上。一次少量喷洒，放入烘箱干燥。反复多次喷洒并干燥后制得具有曲率梯度结构的尼龙网。
2.将过氧化氢溶液按体积分数25％加入浓硫酸中制备食人鱼溶液。将尼龙网进一步浸入食人鱼溶液中1s，蚀刻表面结构，然后立即用去离子水冲洗。反复冲洗尼龙网并用pH试纸检测洗涤液呈中性后放入烘箱中干燥5min。
3.对刻蚀后的尼龙网进行表面微观结构表征：其中轴节处显示有孔径小于250nm的网格结构和直径小于80nm的突触。此时的水滴接触角为70°。连接处的网络结构较为稀疏，水滴接触角为97°。
实施例2
1.喷涂法制备具有曲率梯度结构的尼龙网：首先，为了去除尼龙网表面的杂质，用乙醇，去离子水反复清洗。将聚甲基丙烯酸甲酯按质量分数8％溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在50℃搅拌1h，待聚合物溶解后，用微型喷雾器将PMMA溶液喷洒在尼龙网上。一次少量喷洒，放入烘箱干燥。反复多次喷洒并干燥后制得具有曲率梯度结构的尼龙网。
2.将过氧化氢溶液按体积分数25％加入浓硫酸中制备食人鱼溶液。将尼龙网进一步浸入食人鱼溶液中1s，蚀刻表面结构，然后立即用去离子水冲洗。反复冲洗尼龙网并用pH试纸检测洗涤液呈中性后放入烘箱中干燥5min。
3.对刻蚀后的尼龙网进行粗糙度结构表征：其中轴节处的粗糙度较大，Ra值为85.4nm。而连接处的粗糙度较小，Ra值为20.3nm。
实施例3
1.喷涂法制备具有曲率梯度结构的尼龙网：首先，为了去除尼龙网表面的杂质，用乙醇，去离子水反复清洗。将聚甲基丙烯酸甲酯按质量分数8％溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在50℃搅拌1h，待聚合物溶解后，用微型喷雾器将PMMA溶液喷洒在尼龙网上。一次少量喷洒，放入烘箱干燥。反复多次喷洒并干燥后制得具有曲率梯度结构的尼龙网。
2.将过氧化氢溶液按体积分数25％加入浓硫酸中制备食人鱼溶液。将尼龙网进一步浸入食人鱼溶液中1s，蚀刻表面结构，然后立即用去离子水冲洗。反复冲洗尼龙网并用pH试纸检测洗涤液呈中性后放入烘箱中干燥5min。
3.液滴在轴节上汇聚运输的情况：将雾流速率设置为30g/s/m2。在15s之内的时候，雾滴随机凝结在纤维的表面。在时间为30s的时候，小液滴开始合并成大液滴。在40s之后，液滴汇聚并向轴节方向润湿，直至在80s，小水滴完全聚集并润湿轴节。
实施例4
1.喷涂法制备具有曲率梯度结构的尼龙网：首先，为了去除尼龙网表面的杂质，用乙醇，去离子水反复清洗。将聚甲基丙烯酸甲酯按质量分数8％溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在50℃搅拌1h，待聚合物溶解后，用微型喷雾器将PMMA溶液喷洒在尼龙网上。一次少量喷洒，放入烘箱干燥。反复多次喷洒并干燥后制得具有曲率梯度结构的尼龙网。
2.将过氧化氢溶液按体积分数25％加入浓硫酸中制备食人鱼溶液。将尼龙网进一步浸入食人鱼溶液中1s，蚀刻表面结构，然后立即用去离子水冲洗。反复冲洗尼龙网并用pH试纸检测洗涤液呈中性后放入烘箱中干燥5min。
3.具有润湿性梯度结构的尼龙网材料的水雾收集：取2cm×2cm的制备好的尼龙网，让镊子夹着保持与水平面垂直，放置在集雾口10cm处的地方，水雾收集持续一次时间为30min，用于水收集实验的雾水流速为110g/s/m2。实验中的周围环境湿度和温度为90％和23℃。测试其具有润湿性梯度结构的尼龙网水收集率达到1688mg/cm2/h。
总结：本发明提供的具有润湿性梯度结构的尼龙网用于雾水捕获的方法包括喷涂方法制备曲率梯度结构尼龙网，以及刻蚀后得到粗糙度梯度和曲率梯度兼并的尼龙网。这种方法能实现特殊的润湿性并加速水滴汇聚以及向下传导的速率。在2cm×2cm的尼龙网上最大的水滴承载质量达到最低0.22g，在相对雾流量为110g/s/m2时，水收集率达到1688mg/cm2/h。尼龙网具有机械性能强、成本低的特点，处理后的尼龙网的力学性能将进一步提高。因此本发明将提高室外条件下尼龙网的强度并能实现高效的雾水捕获。这种通过简单方法制备的水收集材料能应用于实际并可以大规模推广。
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 (4)

1.一种用于水雾收集的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.喷涂法制备具有曲率梯度结构的尼龙网：首先，为了去除尼龙网表面的杂质，用乙醇，去离子水反复清洗；将聚甲基丙烯酸甲酯按质量分数6％-10％溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，在50℃搅拌1-1.5h，待聚合物溶解后，用微型喷雾器将PMMA溶液喷洒在尼龙网上；一次少量喷洒，放入烘箱干燥；反复多次喷洒并干燥后制得具有曲率梯度结构的尼龙网；
B.将过氧化氢溶液按体积分数25％-30％加入浓硫酸中制备食人鱼溶液；将步骤A得到的尼龙网进一步浸入食人鱼溶液中1-3s，蚀刻表面结构，然后立即用去离子水冲洗；反复冲洗尼龙网并用pH试纸检测洗涤液呈中性后放入烘箱中干燥5-10min；
C.具有润湿性梯度结构的尼龙网材料的水雾收集：取步骤B制备好的尼龙网，让镊子夹着保持与水平面垂直，放置在集雾口10cm处的地方，用于水收集实验的雾水流速设置为30-110g/s/m2。
2.如权利要求1所述的用于水雾收集的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法，其特征在于：步骤A中，聚甲基丙烯酸甲酯按质量分数6％-10％溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，其聚合物溶液必需混合搅拌均匀，溶液中不能含有杂质；喷涂时聚合物溶液不能覆盖尼龙网网孔。
3.如权利要求1所述的用于水雾收集的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法，其特征在于：步骤B中，过氧化氢溶液按体积分数25％-30％加入浓硫酸中，混合时溶液必须震荡。
4.如权利要求1所述的用于水雾收集的具有润湿性梯度的尼龙网的制备方法，其特征在于：步骤C中，用于水收集实验的雾水流速为110g/s/m2，雾流速平缓均匀，周围温度保持恒温。
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