CN112302100A - 一种多生物仿生的雾水收集结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多生物仿生的雾水收集结构，所述雾水收集结构上表面分布有多个雾水收集单元，所述雾水收集单元上表面边缘为仿仙人掌刺的尖端结构且中间为仿铁兰叶气孔周围毛状体特殊凹陷结构，使雾水收集单元上表面呈超亲水微结构凸点与疏水区域相间的润湿梯度结构；所述相邻的雾水收集单元之间形成边缘为仿仙人掌刺的尖端结构的储水单元；多个雾水收集单元的分布，使整个雾水收集结构上表面呈仿沙漠甲虫背部各向异性润湿性结构。本发明采用具有一定拉伸性能的疏水材料即可制备，原料选择广，且采用圆台针阵列及飞秒激光双脉冲系统即可制备，工艺简单，可大规模制备。

Description

一种多生物仿生的雾水收集结构及其制备方法
技术领域
本发明属于雾水收集技术领域，具体涉及一种多生物仿生的雾水收集结构及其制备方法。
背景技术
淡水资源短缺已经成为一个严峻的全球性问题亟待解决。现今，海水淡化、废水处理被视为回收淡水的有效办法，但存在能耗大、效率低、工艺复杂等问题。雾水收集是指将空气中含有的隐性水资源转化为显性可利用水资源，是一种环保、低成本及可持续的缓解淡水稀缺的方法。
迄今为止，从空气中回收淡水的潜力尚未有效开发。目前，南美洲和中美洲已有大量网状结构投入到雾水收集中捕获雾滴。当雾滴增长到临界尺度时，自身重力大于粘附力，就会从网状物上脱落从而实现收集。然而，粗孔的网状物不能有效捕获悬浮在风中的微米级雾滴，回收效率低；而细孔的网状物又容易被液滴堵塞，难以实现有效收集，无法满足实际使用需求。
受大自然生物启发，科研工作者研究仿生雾水收集结构，专注于独特的微/纳米结构设计，从而实现雾水收集。然而，单一生物的仿生优势有限，存在雾水收集效率低，二次蒸发等问题。同时，目前关于仿生雾水收集结构的制备方法包括电化学法、光/机械光刻法、静电纺丝法等，都有其特定优点，但普遍存在制备工艺复杂、难以大规模制备等缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种方法简单，能大规模制备的多生物仿生的雾水收集结构及其制备方法，构筑疏水-超亲水润湿梯度三维结构，实现高效雾水收集。
为实现上述目的，本发明采取的具体技术方案是：
一种多生物仿生的雾水收集结构，所述雾水收集结构上表面分布有多个雾水收集单元，所述雾水收集单元上表面边缘为仿仙人掌刺的尖端结构且中间为仿铁兰叶气孔周围毛状体特殊凹陷结构，使雾水收集单元上表面呈超亲水微结构凸点与疏水区域相间的润湿梯度结构；所述相邻的雾水收集单元之间形成边缘为仿仙人掌刺的尖端结构的储水单元；多个雾水收集单元的分布，使整个雾水收集结构上表面呈仿沙漠甲虫背部各向异性润湿性结构。
相应地，本发明还提供了上述多生物仿生的雾水收集结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择具有疏水性能的材料作为基底材料，制备基底材料溶液并进行预固化处理；
(2)将均匀的圆台针阵列插入预固化的基底材料溶液中，基底材料溶液上表面以悬链曲线的形式沿整个圆周在圆台针壁表面上升，溶液上表面产生均匀间隔的凹陷结构，同时获得被尖峰包围的储水单元阵列；
(3)待基底材料溶液固化后，脱模去除圆台针阵列，形成周期性微圆孔阵列，采用亲水材料对固化后基底材料样品进行亲水处理，基底材料样品从疏水向超亲水改性；
(4)采用飞秒激光双脉冲系统选择性去除基底材料样品上表面亲水改性层，使上表面形成超亲水微结构凸点与疏水区域相间的结构，获得疏水-超亲水润湿梯度三维结构。
优选地，所述基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
更优选地，所述基底材料溶液是由预聚物和固化剂按照重量比10:1混合而成。
进一步地，所述飞秒激光双脉冲系统基于分束-合束原理，飞秒激光脉冲依次通过半波片、偏振片到达分束镜，通过分束镜分光，透射光和反射光经历一段光程后原路返回，至分束镜再次合束，产生双脉冲序列，通过调节反射镜位置，优化脉冲延迟，改变基底材料样品表面的激光能量分布，从而改变温度场分布，实现选择性去除上表面亲水改性层。
进一步地，可通过建立飞秒激光双脉冲加工工艺参数(激光功率、脉冲频率、扫描速度、扫描间距、扫描路径、扫描次数等)与三维结构上表面微纳复合结构特征生成过程的关系，通过对微纳复合结构的主动控制实现对三维结构表面润湿性的调节作用
进一步地，可根据PDMS材料具有可拉伸的特点，采用不同的拉伸策略改变所构筑的疏水-超亲水润湿梯度三维结构表面润湿特性，建立与雾水收集效率的匹配关系，实现雾气的动态调控。
与现有技术相比，本发明的突出优点在于：
1.本发明的结构制备工艺简单，成本低廉，对环境友好。其中，仿铁兰叶气孔周围毛状体特殊结构加速水滴第一次有效生长、合并，相邻的液滴接触导致聚结，自发运动进入空腔储水区(凹陷结构形成储水区)，在空腔中聚结的液滴最终在空腔中心形成单个大液滴，进行二次生长，储满水后，由于仿仙人掌刺尖峰结构有利于雾水沉积及输运，周围相邻单元结构间产生级联效应，效用最大化主动集水区域，减少雾水被有效输运存储之前的滞后时间，降低被动集水区域水滴再蒸发概率，有效提高单元面积集水效率。同时，多个雾水收集单元的分布，使整个雾水收集结构上表面呈仿沙漠甲虫背部各向异性润湿性结构(雾水收集单元为超亲水凸点结构，雾水收集结构上表面除雾水收集单元外部分疏水，构成周期性超亲水凸点与疏水区域相间的结构)，加快了集水区域收集的雾水向储水装置或其它装置流动的速度，避免雾水积累影响单元面积集水效率同时降低表面液滴再蒸发。
2.本发明的单个雾水收集单元为疏水-超亲水润湿梯度三维结构，利用润湿性梯度力、拉普拉斯力的无源自驱动综合作用，实现从薄的疏水层向厚的亲水层连续单向快速渗透与吸收，为持续液滴生长合并与输运提供支撑，减少表面水滴再次蒸发，具有可控，收集效率高，重复性好，可持续使用等优点。结合飞秒激光构建的超亲水凸点与疏水区域相间的三维结构，可提高液滴单向快速输运转储能力，有效降低表面液滴再蒸发。
3.本发明将均匀的圆台针阵列插入预固化的基底材料溶液中，基底材料溶液上表面以悬链曲线的形式沿整个圆周在圆台针壁表面上升，是利用圆台针阵列与溶液之间的毛细力作用形成凹陷的仿生结构，具有高效收集与运输液滴的能力。
4.本发明采用具有一定拉伸性能的疏水材料即可制备，原料选择广，且采用圆台针阵列及飞秒激光双脉冲系统即可制备，工艺简单，可大规模制备。
附图说明
图1为雾水收集单元的结构示意图；
图2为相邻雾水收集单元形成储水单元的示意图；
图3是构筑疏水-超亲水润湿梯度三维结构方案示意图；
图4是级联效应示意图；
图5是飞秒激光双脉冲系统示意图；
图6是疏水-超亲水润湿梯度三维结构上液滴输运传输行为示意图；
图7是水雾收集装置图。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
实施例1
本实施例提供了一种多生物仿生的雾水收集结构，所述雾水收集结构上表面分布有多个雾水收集单元，如图1所示，所述雾水收集单元上表面边缘为仿仙人掌刺的尖端结构(1)且中间为仿铁兰叶气孔周围毛状体特殊凹陷结构(2)，使雾水收集单元上表面呈超亲水微结构凸点(即尖端结构部分，)与疏水区域(中间凹陷结构部分，凹陷结构部分表面呈疏水性，雾水收集单元其它部分表面呈亲水性)相间的润湿梯度结构；如图2所示，所述相邻的雾水收集单元之间形成边缘为仿仙人掌刺的尖端结构的储水单元(3)；如图7所示，多个雾水收集单元的分布，使整个雾水收集结构上表面呈仿沙漠甲虫背部各向异性润湿性结构。
实施例2
本实施例提供了一种实施例1所述多生物仿生的雾水收集结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底材料，制备PDMS溶液：将预聚物和固化剂按照重量比10:1混合而成倒入烧杯中，用玻璃棒进行充分搅拌形成PDMS溶液，待搅拌均匀后将烧杯放入真空干燥器中除气备用；
(2)制备仿仙人掌刺与仿铁兰叶结构：将均匀的圆台针阵列插入预固化的PDMS溶液中，流体与固体表面的附着力、液-气界面的表面张力及重力的相互作用将使PDMS溶液上升，PDMS溶液上表面以悬链曲线的形式沿整个圆周在圆台针壁表面上升，在毛细管力的作用下，溶液上表面产生均匀间隔的凹陷结构，同时获得被尖峰包围的储水单元阵列，完成如图3所示仿仙人掌刺尖峰结构及仿铁兰叶气孔周围毛状体特殊凹陷结构的构筑。
(3)表面亲水化处理：PDMS固化后，脱模去除圆台针阵列，形成周期性微圆孔阵列。随后将PDMS放入多巴胺(DA)溶液中，置于25℃环境中浸泡24小时进行亲水处理，样品从疏水(光滑PDMS表面接触角约110°)向超亲水改性。
(4)制备疏水-超亲水润湿梯度三维结构：采用飞秒激光双脉冲法选择性去除上表面亲水改性层，获得疏水与超亲水相间的三维结构(雾水收集单元结构)，液滴在疏水-超亲水润湿梯度三维结构发生二次生长及级联效应行为如图4所示。飞秒激光产生双脉冲的产生过程如图5所示，入射激光通过分束镜分光，透射光和反射光经历一段光程后原路返回后，至分束镜再次合束，产生双脉冲序列。通过调节反射镜位置，优化脉冲延迟，提高激光加工效率与质量，实现微纳结构的主动控制。
(5)飞秒激光调控疏水-超亲水润湿梯度三维结构：设计飞秒激光双脉冲加工工艺参数，包括激光功率、脉冲频率、扫描速度、扫描间距、扫描路径、扫描次数等，通过对微纳复合结构的主动控制实现对三维结构表面润湿性的调节作用。
(6)PDMS拉伸策略调控疏水-超亲水润湿梯度三维结构：针对PDMS样品设计多组拉伸策略，形成不同拉伸度的疏水-超亲水润湿梯度三维结构，改变其表面润湿特性，建立其与雾水收集的匹配关系。
(7)水雾收集：搭建水雾收集结构如图7所示，多个雾水收集单元分布在储水装置上，使整个雾水收集结构上表面呈仿沙漠甲虫背部各向异性润湿性结构(雾水收集单元为超亲水凸点结构，雾水收集结构上表面除雾水收集单元外部分疏水，构成周期性超亲水凸点与疏水区域相间的结构)，液滴在雾水收集单元上的输运传输行为如图6所示，然后多个雾水收集单元与储水装置构成的周期性超亲水凸点与疏水区域相间的结构，使得液滴快速的流向储水装置内。
雾水收集单元中的凹陷结构表面呈疏水性，侧视的角度看其是没有层高的，但为了便于对本申请结构进行描述，图2-图7中对其采用一定的层高进行展示。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多生物仿生的雾水收集结构，其特征在于，所述雾水收集结构上表面分布有多个雾水收集单元，所述雾水收集单元上表面边缘为仿仙人掌刺的尖端结构且中间为仿铁兰叶气孔周围毛状体特殊凹陷结构，使雾水收集单元上表面呈超亲水微结构凸点与疏水区域相间的润湿梯度结构；所述相邻的雾水收集单元之间形成边缘为仿仙人掌刺的尖端结构的储水单元；多个雾水收集单元的分布，使整个雾水收集结构上表面呈仿沙漠甲虫背部各向异性润湿性结构。
2.根据权利要求1所述多生物仿生的雾水收集结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择具有疏水性能的材料作为基底材料，制备基底材料溶液并进行预固化处理；
(2)将均匀的圆台针阵列插入预固化的基底材料溶液中，基底材料溶液上表面以悬链曲线的形式沿整个圆周在圆台针壁表面上升，溶液上表面产生均匀间隔的凹陷结构，同时获得被尖峰包围的储水单元阵列；
(3)待基底材料溶液固化后，脱模去除圆台针阵列，形成周期性微圆孔阵列，采用亲水材料对固化后基底材料样品进行亲水处理，基底材料样品从疏水向超亲水改性；
(4)采用飞秒激光双脉冲系统选择性去除基底材料样品上表面亲水改性层，使上表面形成超亲水微结构凸点与疏水区域相间的结构，获得疏水-超亲水润湿梯度三维结构。
3.根据权利要求2所述多生物仿生的雾水收集结构的制备方法，其特征在于，所述基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
4.根据权利要求3所述多生物仿生的雾水收集结构的制备方法，其特征在于，所述基底材料溶液是由预聚物和固化剂按照重量比10:1混合而成。
5.根据权利要求2所述多生物仿生的雾水收集结构的制备方法，其特征在于，所述飞秒激光双脉冲系统基于分束-合束原理，飞秒激光脉冲依次通过半波片、偏振片到达分束镜，通过分束镜分光，透射光和反射光经历一段光程后原路返回，至分束镜再次合束，产生双脉冲序列，通过调节反射镜位置，优化脉冲延迟，改变基底材料样品表面的激光能量分布，从而改变温度场分布，实现选择性去除上表面亲水改性层。
6.根据权利要求2所述多生物仿生的雾水收集结构的制备方法，其特征在于，可通过建立飞秒激光双脉冲加工工艺参数(激光功率、脉冲频率、扫描速度、扫描间距、扫描路径、扫描次数等)与三维结构上表面微纳复合结构特征生成过程的关系，通过对微纳复合结构的主动控制实现对三维结构表面润湿性的调节作用。
7.根据权利要求3所述多生物仿生的雾水收集结构的制备方法，其特征在于，可根据PDMS材料具有可拉伸的特点，采用不同的拉伸策略改变所构筑的疏水-超亲水润湿梯度三维结构表面润湿特性，建立与雾水收集效率的匹配关系，实现雾气的动态调控。
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