CN113445095A - 一种多梯度浸润性铜丝阵列及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，包括以下步骤：将紫铜丝依次用盐酸溶液、丙酮、乙醇进行超声清洗，清洗完成后烘干；将多根紫铜丝紧密排列，用导电胶粘连，得到铜丝阵列；将所得铜丝阵列竖直放入硫酸铜溶液中，以铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解过程中漏液，进行梯度电化学腐蚀，得到锥形铜丝阵列；将所得锥形铜丝阵列锥顶朝上竖直放入氢氧化钠和无水乙醇的混合溶液中，以锥形铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，得到的多梯度浸润性铜丝阵列能够实现快速、连续的水收集，集水效率高、集水量大，并且制备成本低廉、制备方法简单、使用年限长，可用于干旱多雾地区以及沿海少雨地区的雾气收集。

Description

一种多梯度浸润性铜丝阵列及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于集水铜丝制备技术领域，涉及一种多梯度浸润性铜丝阵列及其制备方法和应用。
背景技术
虽然地球很大一部分都是海洋，但是淡水资源的匮乏却一直是人们困扰着的问题，这种匮乏不仅影响了国民经济的发展，同时也对人类的生存构成了很大的威胁。沿海地区运用高成本的手段来淡化海水，沙漠地区则是从雾气及雨水中收集，传统的收集淡水的方法不仅消耗大量的资源，而且效率很低。
研究表明，很多缺水地区都有着很大的湿度，空气中弥漫着大量的水分子，由此会产生大量的雾气，如果能用一种简单的办法把这些雾气中的水分收集起来，无疑将会是解决问题的一个途径。因此，如果能够充分利用雾气中的水分，使其在某种条件下凝结并收集就有望在很大程度上解决水资源匮乏的问题。人们在对自然的观察学习中发现，自然界中有的生物经过长期的进化过程获得了在极度缺水环境中生存的本领。仿生制备低能耗、高效率、环境友好的新型集水材料有望成为解决水资源匮乏问题的新途径。
传统方法集水效率低、成本高，无法满足缺水地区的需求，因此，研发一种多梯度浸润性铜丝阵列是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种多梯度浸润性铜丝阵列及其制备方法和应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)将紫铜丝依次用盐酸溶液、丙酮、乙醇进行超声清洗，清洗完成后烘干；
(2)将多根紫铜丝紧密排列，用导电胶粘连，得到铜丝阵列；
(3)将所得铜丝阵列竖直放入硫酸铜溶液中，浸入长度为10-20mm，以铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解过程中以8-12mm/min的速度漏液，进行梯度电化学腐蚀，得到锥形铜丝阵列；
(4)将所得锥形铜丝阵列锥顶朝上竖直放入氢氧化钠和无水乙醇的混合溶液中，浸入长度为5-10mm，以锥形铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，得到上述多梯度浸润性铜丝阵列。
本发明的有益效果：本发明通过将铜丝阵列部分浸没在电解液中，使电解液在毛细作用下沿着铜丝之间的微米级通道缓慢上升进行氧化，而铜丝表面不会被氧化，从而获得具有自上而下浸润性梯度的亲疏相间结构，该方法简单灵活，具有选择性和可控性。
通过上述方法制备得到的多梯度浸润性铜丝阵列，具有类仙人掌刺的锥形梯度结构、类瓶子草的毛细结构以及化学梯度结构；所述的锥形梯度结构从锥针顶端到远离锥针处，曲率半径从小到大，形成拉普拉斯压差；所述的毛细结构为两根铜丝间隙形成的毛细力；所述的化学梯度结构为阳极氧化过程中形成的氧化铜梯度结构。
本发明将多梯度浸润性铜丝阵列置于雾气中时，空气中的水分在其锥尖部分凝结成水滴，提高了液滴的捕获能力，并在拉普拉斯压力的作用下向后运动，形成液膜，随后在两根铜丝的间隙中受到毛细力和化学梯度力的作用继续向后运动，在尾部的亲水表面凝结出大的液滴滴落，实现收集，之后，空气中的水分继续在原有的位置凝结，从而实现了连续的集水过程。本发明能够快速地捕获雾气中的水分，快速凝结在铜丝锥尖上，并且利用浸润性梯度结构和毛细力，将水滴定向输运、尾部，从而实现了快速、连续的水收集，集水效率高、集水量大，并且制备成本低廉、制备方法简单、使用年限长，可用于干旱多雾地区以及沿海少雨地区的雾气收集。
进一步，步骤(1)中，上述盐酸溶液的浓度为15-25wt％，上述用盐酸溶液超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10-20min；上述用丙酮超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10-20min；上述用乙醇超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10-20min。
采用上述进一步的有益效果：清除样品表面的无机杂质、有机杂质和污垢。
进一步，步骤(1)中，上述烘干温度为65℃，烘干时间为15-20min。
采用上述进一步的有益效果：避免样品在潮湿状态下发生氧化。
进一步，步骤(1)中，上述紫铜丝长度为40-60mm，直径为0.4-0.6mm。
采用上述进一步的有益效果：有利于集雾过程中的捕获和传输，增大了毛细力。
进一步，步骤(3)中，上述硫酸铜溶液浓度为0.05M，上述电解电流为0.5A，电解时间为60s，上述阳极和阴极之间的距离为1-3cm。
采用上述进一步的有益效果：生成有利于捕获液滴的锥度。
进一步，步骤(3)中，上述锥形铜丝阵列的圆锥角度为1-10°。
采用上述进一步的有益效果：有利于液滴的捕获。
进一步，步骤(4)中，上述混合溶液中氢氧化钠的浓度为0.5M，混合溶液中无水乙醇的浓度为20-40wt％。
采用上述进一步的有益效果：有利于降低表面张力，促进电解液上升。
进一步，步骤(4)中，上述电解电流为0.01A，电解时间为180-240s，上述阳极和阴极之间的距离为5mm。
采用上述进一步的有益效果：有利于获得最佳浸润性梯度。
本发明还提供上述的制备方法制得的多梯度浸润性铜丝阵列。
本发明还提供上述一种多梯度浸润性铜丝阵列在雾气中收集水分中的应用。
附图说明
图1为本发明实施例步骤(4)的实验装置图；
图2为本发明实施例1中制备得到的多梯度浸润性铜丝阵列的光学照片；
图3为本发明实施例1中制备得到的多梯度浸润性铜丝阵列浸润性梯度位置的SEM图像，锥状纳米结构的放大图；
图4为本发明实施例1中制备得到的多梯度浸润性铜丝阵列浸润性梯度位置的接触角表征图；
图5为本发明实施例1中制备得到的多梯度浸润性铜丝阵列置于雾气中发生的集水过程示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请补充以下内容：
实施例1
多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)将紫铜丝依次用盐酸溶液、丙酮、乙醇进行超声清洗，紫铜丝长度为50mm，直径为0.4mm，盐酸溶液的浓度为20wt％，用盐酸溶液超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为15min；用丙酮超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为15min；用乙醇超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为15min，清洗完成后烘干，烘干温度为65℃，烘干时间为15min。
(2)将多根紫铜丝紧密排列，用导电胶粘连，得到铜丝阵列；
(3)将所得铜丝阵列竖直放入硫酸铜溶液中，硫酸铜溶液浓度为0.05M，浸入长度为15mm，以铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解电流为0.5A，电解时间为60s，阳极和阴极之间的距离为2cm，电解过程中以10mm/min的速度漏液，进行梯度电化学腐蚀，得到锥形铜丝阵列，锥形铜丝阵列的圆锥角度为10°；
(4)将所得锥形铜丝阵列锥顶朝上竖直放入氢氧化钠和无水乙醇的混合溶液中，氢氧化钠的浓度为0.5M，无水乙醇的浓度为20wt％，浸入长度为10mm，以锥形铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解电流为0.01A，电解时间为180s，阳极和阴极之间的距离为5mm，得到多梯度浸润性铜丝阵列。
实施例2
多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)将紫铜丝依次用盐酸溶液、丙酮、乙醇进行超声清洗，紫铜丝长度为50mm，直径为0.5mm，盐酸溶液的浓度为20wt％，用盐酸溶液超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为20min；用丙酮超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为20min；用乙醇超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为20min，清洗完成后烘干，烘干温度为65℃，烘干时间为20min。
(2)将多根紫铜丝紧密排列，用导电胶粘连，得到铜丝阵列；
(3)将所得铜丝阵列竖直放入硫酸铜溶液中，硫酸铜溶液浓度为0.05M，浸入长度为15mm，以铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解电流为0.5A，电解时间为60s，阳极和阴极之间的距离为1cm，电解过程中以8mm/min的速度漏液，进行梯度电化学腐蚀，得到锥形铜丝阵列，锥形铜丝阵列的圆锥角度为8°；
(4)将所得锥形铜丝阵列锥顶朝上竖直放入氢氧化钠和无水乙醇的混合溶液中，氢氧化钠的浓度为0.5M，无水乙醇的浓度为20wt％，浸入长度为8mm，以锥形铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解电流为0.01A，电解时间为240s，阳极和阴极之间的距离为5mm，得到多梯度浸润性铜丝阵列。
实施例3
多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)将紫铜丝依次用盐酸溶液、丙酮、乙醇进行超声清洗，紫铜丝长度为60mm，直径为0.6mm，盐酸溶液的浓度为15wt％，用盐酸溶液超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10min；用丙酮超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10min；用乙醇超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10min，清洗完成后烘干，烘干温度为65℃，烘干时间为18min。
(2)将多根紫铜丝紧密排列，用导电胶粘连，得到铜丝阵列；
(3)将所得铜丝阵列竖直放入硫酸铜溶液中，硫酸铜溶液浓度为0.05M，浸入长度为10mm，以铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解电流为0.5A，电解时间为60s，阳极和阴极之间的距离为3cm，电解过程中以12mm/min的速度漏液，进行梯度电化学腐蚀，得到锥形铜丝阵列，锥形铜丝阵列的圆锥角度为1°；
(4)将所得锥形铜丝阵列锥顶朝上竖直放入氢氧化钠和无水乙醇的混合溶液中，氢氧化钠的浓度为0.5M，无水乙醇的浓度为30wt％，浸入长度为5mm，以锥形铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解电流为0.01A，电解时间为200s，阳极和阴极之间的距离为5mm，得到多梯度浸润性铜丝阵列。
实施例4
多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)将紫铜丝依次用盐酸溶液、丙酮、乙醇进行超声清洗，紫铜丝长度为60mm，直径为0.6mm，盐酸溶液的浓度为25wt％，用盐酸溶液超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10min；用丙酮超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10min；用乙醇超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10min，清洗完成后烘干，烘干温度为65℃，烘干时间为18min。
(2)将多根紫铜丝紧密排列，用导电胶粘连，得到铜丝阵列；
(3)将所得铜丝阵列竖直放入硫酸铜溶液中，硫酸铜溶液浓度为0.05M，浸入长度为20mm，以铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解电流为0.5A，电解时间为60s，阳极和阴极之间的距离为3cm，电解过程中以12mm/min的速度漏液，进行梯度电化学腐蚀，得到锥形铜丝阵列，锥形铜丝阵列的圆锥角度为1°；
(4)将所得锥形铜丝阵列锥顶朝上竖直放入氢氧化钠和无水乙醇的混合溶液中，氢氧化钠的浓度为0.5M，无水乙醇的浓度为40wt％，浸入长度为5mm，以锥形铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解电流为0.01A，电解时间为200s，阳极和阴极之间的距离为5mm，得到多梯度浸润性铜丝阵列。
本发明实施例步骤(4)的实验装置及过程如图1所示，其中a为锥形铜丝阵列，b为铜片，c为氢氧化钠和无水乙醇的混合溶液。
实施例1所得的锥形浸润性梯度铜丝，如图2所示，其表面具有锥形尖端结构及浸润性梯度结构。
铜丝阵列的存在形成化学浸润性梯度，如图3所示，由日本电子公司型号为FE-SEM-6700F的扫描电子显微镜在3千伏电压下拍摄环形浸润性梯度铜丝在从尾部到锥尖不同距离处结构的放大图，其中，a为浸润性梯度据尾部8mm的SEM图，b为浸润性梯度距尾部14mm的SEM图，c为浸润性梯度距尾部20mm的SEM图，d为浸润性梯度距尾部26mm的SEM图，e为浸润性梯度距尾部32mm的SEM图；由图3a-3e可以看出，从距离尾部8mm处到距离32mm处，微孔结构从有到无，表面的粗糙度越来越少，充分体现出铜丝浸润性梯度结构的特点；所述的微孔结构组分为氢氧化铜。
如图4所示，由德国DataPhysics生产的型号为OCA40Micro的接触角测量仪拍摄制备得到的锥形浸润性梯度铜丝的接触角表征图，从尾部8mm处到距离尾部32mm处，接触角从小变大，体现出铜丝浸润性梯度结构的特点。
制备得到的多梯度浸润性铜丝阵列能够连续、快速地从雾气中收集水分，其集水过程如图5所示，雾气施加在锥尖处，微纳米结构的锥尖将液滴捕获a2，液滴在铜丝锥尖凝结之后，在拉普拉斯压差的作用下合并形成液膜，铺展到传输区，然后通过化学梯度和毛细力向铜丝尾部传输a3，在尾部收集区形成液滴，使得雾水能够得到收集a4、a5，此水滴形成至收集的过程需190s左右。以液滴滴落为一个循环，在铜丝阵列表面可以进行不断循环，而且循环的时间会不断缩短，最终稳定在100s左右a6、a7，如图5b和图5c所示为集水过程的局部放大图，雾气中的水分首先受到拉普拉斯压力在锥尖凝结成小液滴并形成液膜，然后小液滴受到浸润性梯度力和毛细力的双重作用力逐渐通过液膜向尾部传输，在尾部聚集成大液滴，最终在重力和附加压力的作用下滴落。
对所公开的实施例的说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将紫铜丝依次用盐酸溶液、丙酮、乙醇进行超声清洗，清洗完成后烘干；
(2)将多根紫铜丝紧密排列，用导电胶粘连，得到铜丝阵列；
(3)将所得铜丝阵列竖直放入硫酸铜溶液中，浸入长度为10-20mm，以铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，电解过程中以8-12mm/min的速度漏液，进行梯度电化学腐蚀，得到锥形铜丝阵列；
(4)将所得锥形铜丝阵列锥顶朝上竖直放入氢氧化钠和无水乙醇的混合溶液中，浸入长度为5-10mm，以锥形铜丝阵列为阳极，以铜片为阴极进行电解，得到所述多梯度浸润性铜丝阵列。
2.根据权利要求1所述一种多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述盐酸溶液的浓度为15-25wt％，所述用盐酸溶液超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10-20min；所述用丙酮超声清洗，超声波频率为40KHz，超声清洗时间为10-20min；所述用乙醇超声清洗40KHz，超声波频率为，超声清洗时间为10-20min。
3.根据权利要求1所述一种多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述烘干温度为65℃，烘干时间为15-20min。
4.根据权利要求1所述一种多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述紫铜丝长度为40-60mm，直径为0.4-0.6mm。
5.根据权利要求1所述一种多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述硫酸铜溶液浓度为0.05M，所述电解电流为0.5A，电解时间为60s，所述阳极和阴极之间的距离为1-3cm。
6.根据权利要求1所述一种多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述锥形铜丝阵列的圆锥角度为1-10°。
7.根据权利要求1所述一种多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述混合溶液中氢氧化钠的浓度为0.5M，混合溶液中无水乙醇的浓度为20-40wt％。
8.根据权利要求1所述一种多梯度浸润性铜丝阵列的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述电解电流为0.01A，电解时间为180-240s，所述阳极和阴极之间的距离为5mm。
9.一种由权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的多梯度浸润性铜丝阵列。
10.权利要求9所述一种多梯度浸润性铜丝阵列在雾气中收集水分中的应用。
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