CN114165941A - 一种全天候水收集的微结构冷凝布 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于全天候水收集的微结构冷凝布，所述的微结构冷凝布通过在辐射制冷复合材料制备的纤维表面构造微观尖刺结构，在不消耗额外能源的前提下克服重力实现连续定向水输运，实现全天候的冷凝水的收集。与现有技术相比，微结构冷凝布除了具备优良的定向水输运能力和辐射制冷性能等功能特性外，兼具柔软、轻质，表面积大等优良的结构特性，可构造形状结构可控的冷凝装置，用户可根据实际需要设计不同的结构以适应多场景的复杂应用需求。本发明可应用于因干旱、半干旱、水污染、水土流失等原因导致可用的地表水资源匮乏的地区，能在一定程度上缓解缺水问题，为生产、生活用水提供一种候补选择。

Description

一种全天候水收集的微结构冷凝布
技术领域
本发明涉及辐射制冷领域，特别是涉及一种全天候水收集的微结构冷凝布。
背景技术
大气可以被认为是一个巨大的可再生的蓄水池，可以在地球上任何地方充当水源。空气中的水量估计为14000km3，而地球上的淡水量约为1200km3。露水是由于大气水蒸气在低于露点温度的表面凝结而形成的水滴。露水可被视为一种非常规水源，可在气候条件有利于结露、供水不足和水质普遍存在问题的地区开采。
尽管在许多天气条件有利于露水形成的地方，潜在的可提取淡水量很大，但现有的露水收集系统普遍存在集水效率较低的缺陷，这表明露水收集是一种未充分开发的提供优质水的替代方案。
辐射式(也称为无源式)露水收集系统是一种主流的露水收集系统，该类系统利用产生露水的物理过程来收集露水，无需任何额外的能量输入。
露水收集系统可收集的水源来源有两种：大气与地表。露水便是指由于大气中的水蒸气遇冷凝结。另外，由于地表水的蒸发现象以及植被的蒸腾作用，这部分蒸馏得到的水分也有可能被露水收集系统所收集。后一种现象仅仅只是地表水的局部重新分配，其露水收集量依赖于周遭环境。在大多数需要建立露水收集系统的水资源匮乏的干旱、半干旱地带，相比于露水，蒸馏水可以忽略。
辐射制冷技术通过材料的选择和结构的设计，可以使物体在太阳辐射，0.3μm-2.5μm波长范围实现高反射率，极大阻挡通过太阳辐射的热量输入；在大气窗口，8μm-13μm波段内实现高发射率，从而将物体的热辐射损失最大化进而达到降低温度的目的。采用这一技术可以极大提升辐射式露水收集系统的收集效率。
鉴于广阔的应用前景，寻找性能更佳的辐射式露水收集系统一直以来便是研究人员和工程师们关注的热点问题。
薄膜材料一直是研究人员的研究热点。以色列的Gindel测试了一种由聚乙烯薄膜(1.5×2m2，水平倾斜角25–30°)，其月产量在0.86至3.63l/m2/月之间，产量惨淡。为了提高集水效率，研究人员尝试使用辐射制冷涂料对聚合物基底表面进行涂敷。Lushiku和Kivaisi使用以二氧化钛(TiO2)为主的白色涂料涂覆在聚氯乙烯(PVC)箔上，大大提高了辐射制冷性能。尽管二氧化钛(TiO2)在红外区发射率很高，但并不能完全覆盖整个8μm-13μm的波段大气窗口。为了进一步提升涂料的辐射制冷性能，瑞典的nilsson团队采用二氧化钛(TiO2)和硫酸钡(BaSO4)复合材料涂覆在聚乙烯(PE)箔表面。该冷凝箔由热挤出法制备，箔厚390μm，二氧化钛(TiO2)和硫酸钡(BaSO4)的体积分数分别为5vol.％和2vol.％，平均粒径分别在0.1μm和0.4μm，整个冷凝箔在大气窗口的平均发射率高达89％。威斯康星大学的Zhou Ming等人则将PDMS涂覆在银层上，在饱和湿度下观察到了明显的日间集水现象。
但是冷凝器表面的露水往往会阻碍日间制冷效果，妨碍冷凝过程，如何及时将凝结的露珠及时收集起来同样是研究人员关注的方向。
现有辐射式露水收集系统尚未达到露水收集的理论上限，如何提高露水收集产量显得尤为重要且具有意义。增强冷凝水的定向输运能力或者增强辐射制冷能力都是可行的研究方向。所以，现缺乏一种用于全天候冷凝水水收集的可靠平台，在达到优异的辐射制冷性能的同时兼具良好的定向水输运性能。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供一种用于全天候水收集的微结构冷凝布，能够适配多种结构以适应多场景的复杂应用需求。所述的微结构冷凝布通过在由辐射制冷复合材料制备的纤维表面构造微观尖刺结构，在不消耗额外能源的前提下克服重力实现连续定向水输运，实现全天候的冷凝水的收集。
本发明采用如下技术方案实现：
一种用于全天候水收集的微结构冷凝布，所述微结构冷凝布是由辐射制冷复合材料制备得到，所述微结构冷凝布具有定向水输运能力的表面微结构；
所述辐射制冷复合材料是掺杂有无机微纳颗粒或其内部设有孔隙的聚合物基底材料；
其集水方法为：空气中的水蒸气遇到低于露点温度的微结构冷凝布，凝结成水珠被冷凝布捕获，水珠受微结构的拉普拉斯梯度力沿冷凝布表面定向输运。
上述技术方案中，优选地，所述聚合物基底材料包含PE、PLA、PDMS、PMMA、纤维素中的一种或一种以上的混合物。
优选地，所述无机微纳颗粒包含二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、硫酸钡(BaSO4)、石墨中的一种或一种以上的混合物。所述无机微纳颗粒的粒径为200-800nm。所述无机微纳颗粒或孔隙占辐射制冷复合材料总体积的10-30％。
优选地，所述具有定向水输运能力的表面微结构为特定朝向的微米级特征尺度的锥状尖刺。
优选地，所述锥状尖刺为圆锥、三角锥、棱锥或不规则椎体中的至少一种。
优选地，所述锥状尖刺的特征尺度为，高为10-100μm，锥底截面径长2-40μm。
优选地，所述锥状尖刺的尖端朝向与水的目标输运方向相逆。
上述的用于全天候水收集的微结构冷凝布，可用于制备辐射式露水收集装置的冷凝装置。
借由上述技术方案，本发明提供的技术方案至少具有下列优点：
本发明提供一种具有蒸发损耗小、成本低廉，制备简单、布置简单、便于移动等优点的冷凝布，以本发明的冷凝布为基础可制作露水收集装置的冷凝装置。本发明可应用于因干旱、半干旱、水污染、水土流失等原因导致可用的地表水资源匮乏的地区，能在一定程度上缓解缺水问题，为生产、生活用水提供一种候补选择。
通过引入辐射制冷复合材料，增强8-13μm波段的热辐射作用，冷凝布获得了更低的温度，可以大大增强水蒸气凝结效率；通过引入具有定向水输运能力的表面微结构，较大程度提升了冷凝布导湿性能，增加了露水的持续收集能力。
本发明的冷凝布除了具备优良的定向水输运能力和辐射制冷性能等功能特性外，兼具柔软、轻质，表面积大等优良的结构特性，可构造形状结构可控的冷凝装置，用户可根据实际需要设计不同的结构以适应多场景的复杂应用需求；同时本发明制备简便、成本低廉，轻质便携，适合工业化生产与大规模制造。
附图说明
图1为本发明实施例1-2制备的纤维的微结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的制备的冷凝布实物图；
图3为本发明实施例1提供冷凝布的红外发射率光谱。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明的用于全天候水收集的微结构冷凝布，除了具备优良的亲水性和辐射制冷性能等功能特性外，兼具柔软、轻质，表面积大等优良的结构特性，可构造形状结构可控的冷凝装置，用户可根据实际需要设计不同的结构以适应多场景的复杂应用需求；同时本发明制备简便、成本低廉，轻质便携，适合工业化生产与大规模制造。
一种用于全天候水收集的微结构冷凝布，所述微结构冷凝布是由辐射制冷复合材料制备得到，所述微结构冷凝布具有定向水输运能力的表面微结构；所述辐射制冷复合材料是掺杂有无机微纳颗粒或其内部设有孔隙的聚合物基底材料。
空气中的水蒸气遇到低于露点温度的微结构冷凝布，凝结成水珠被冷凝布捕获，水珠受微结构的拉普拉斯梯度力沿冷凝布表面定向输运。
所述聚合物基底材料包含PE、PLA、PDMS、PMMA、纤维素中的一种或一种以上的混合物。
所述无机微纳颗粒包含二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、硫酸钡(BaSO4)、石墨中的一种或一种以上的混合物。
所述具有定向水输运能力的表面微结构为特定朝向的微米级特征尺度的锥状尖刺。
所述锥状尖刺为圆锥、三角锥、棱锥或不规则椎体中的至少一种。
所述锥状尖刺的特征尺度为，高为10-100μm，锥底截面径长2-40μm。
所述锥状尖刺的尖端朝向与水的目标输运方向相逆。
所述冷凝布的制备方法为经编、纬编和梭织等方法中的至少一种，织物的组织结构为平纹、斜纹、缎纹、提花等中的至少一种或多种。
实施例1：
在本实施例中，提供的用于全天候水收集的微结构冷凝布，由辐射制冷复合材料制备的具有定向水输运能力的表面微结构纤维制备得到，所述微结构冷凝布具有定向水输运能力的表面微结构；所述辐射制冷复合材料是掺杂有无机微纳颗粒或其内部设有空隙的聚合物基底材料。
其中，该纤维的聚合物基底材料为聚乳酸(PLA)，掺杂的无机微纳颗粒为TiO2，平均粒径约400nm，占辐射制冷复合材料总体积的15％。锥状尖刺外观为圆锥，平均高为60μm，锥底截面径长15μm。
得到的白色冷凝布，如图2所示。
实施例2：
在本实施例中提供的用于全天候水收集的微结构冷凝布，由辐射制冷复合材料制备的具有定向水输运能力的表面微结构纤维制备得到，可用于辐射式露水收集装置的冷凝装置；
其中，该纤维的聚合物基底材料为聚乳酸(PLA)，掺杂的无机微纳颗粒为碳粉，平均粒径约400nm，占辐射制冷复合材料总体积的15％。锥状尖刺为圆锥，平均高为60μm，锥底截面径长15μm。。
得到的黑色冷凝布。
对比例1：
区别于实施例1，在本对比例中没有构造纤维表面微结构。
本对比例提供的辐射制冷复合材料纤维及织物，其具有优异的辐射制冷性能。
辐射制冷复合材料组分同实施例1。
表1
例别 组分 微结构 集水表现
实施例1 PLA+TiO2 有 全天候冷凝水收集
实施例2 PLA+碳粉 有 夜间冷凝水收集，日间吸热可用于海水蒸发
对比例1 PLA+TiO2 无 全天候冷凝水收集，水量相较实施例1为少
如图3为本发明实施例1提供冷凝布的红外发射率光谱。由图可知在整个8-13um的大气窗口，实施例1的冷凝布都有超过90％的高发射率，平均发射率达到94.5％，具备优异的辐射制冷特性，适用于辐射式露水收集系统的冷凝器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用于全天候水收集的微结构冷凝布，其特征在于，所述微结构冷凝布是由辐射制冷复合材料制备得到，所述微结构冷凝布具有定向水输运能力的表面微结构；
所述辐射制冷复合材料是掺杂有无机微纳颗粒或其内部设有孔隙的聚合物基底材料。
2.如权利要求1所述的用于全天候水收集的微结构冷凝布，其特征在于：所述聚合物基底材料包含PE、PLA、PDMS、PMMA、纤维素中的一种或一种以上的混合物。
3.如权利要求1所述的用于全天候水收集的微结构冷凝布，其特征在于：所述无机微纳颗粒包含二氧化钛、二氧化硅、硫酸钡、碳粉中的一种或一种以上的混合物。
4.如权利要求1所述的用于全天候水收集的微结构冷凝布，其特征在于：所述无机微纳颗粒的粒径为200-800nm。
5.如权利要求1所述的用于全天候水收集的微结构冷凝布，其特征在于：所述无机微纳颗粒或孔隙占辐射制冷复合材料总体积的10-30％。
6.如权利要求1所述的用于全天候水收集的微结构冷凝布，其特征在于：所述具有定向水输运能力的表面微结构为微米级特征尺度的锥状尖刺。
7.如权利要求6所述的用于全天候水收集的微结构冷凝布，其特征在于：所述锥状尖刺为圆锥、三角锥、棱锥或不规则锥体中的至少一种。
8.如权利要求6所述的用于全天候水收集的微结构冷凝布，其特征在于：所述锥状尖刺的特征尺度包括，高为10-100μm，锥底截面径长2-40μm。
9.如权利要求6所述的用于全天候水收集的微结构冷凝布，其特征在于：所述锥状尖刺的尖端朝向与水的目标输运方向相逆。
10.如权利要求1-9任一项所述的用于全天候水收集的微结构冷凝布，其特征在于：可用于制备辐射式露水收集装置的冷凝装置。
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