CN114809191B - 一种诱导近壁团簇凝结的仿生捕水强化表面结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冷凝集水和微电子等材料制备领域，一种诱导近壁团簇凝结的仿生捕水强化表面结构及制备方法。该方法仿照天竺葵叶片表面上分布着数目巨大的纤毛结构在湿气水捕获中的效应，利用近平衡凝结过程中固相介质表面附近富集团簇分布的特点，在强化表面的设计构建中引入近壁空间的结构，并根据团簇演化理论设计了近壁空间结构的特定离壁高度。该仿生表面显著提高了湿气中的水汽捕获效率，并且所设计和制备的强化结构具有稳定的机械强度，结构尺寸在制备上具有高可控性，可以广泛应用于高湿度场合的水汽捕获或环境除湿。与其它凝结过程强化表面设计主要聚焦于表面基底的润湿特性改性不同，本发明聚焦于诱导团簇凝聚而设计了近壁空间结构。

Description

一种诱导近壁团簇凝结的仿生捕水强化表面结构及制备方法

技术领域

本发明涉及冷凝集水和微电子等材料制备领域，涉及一种诱导近壁团簇凝结的仿生捕水强化表面结构及制备方法。

背景技术

水是自然环境中最丰富的资源，但是盐水几乎占地球上所有水的96.54％，直接提供给人们的淡水只是0.36％，主要来自冰冻的冰川，极地冰盖和未冻结的地下水，还有10%左右存在于空气中。如果能够收集利用空气中存在的水蒸气，缺水问题将会得到极大的缓解。因此，潮湿空气中水的捕获是淡水获取、减湿等生产生活中的关键技术之一，其中优异的集水功能表面设计是研究热点。目前大多数集水表面主要是表面的亲、疏水组合结构来强化冷凝液滴的输运过程，很少涉及表面的空间结构。实际上，自然生物的优异捕水结构都具有一定的空间结构，例如天竺葵叶片上分布着数目巨大的高度为300 μm左右的纤毛，同样在仙人掌脊柱上和碰碰香表面上也发现了类似的纤毛。这是因为近壁空间团簇存在一定的空间分布，空间结构的存在可以加速团簇的演化，增加稀薄水汽的碰撞概率，从而实现冷凝过程的强化。

因此本发明从植物叶片表面的纤毛结构出发，利用空间结构诱导近壁空间团簇的演化成核，实现表面捕水能力的强化。

发明内容

本发明的目的在于解决沿海、船舶和工业生产中的集水和除湿问题，提出了一种用于高湿度地区集水、除湿的仿天竺葵表面的设计、制备方法。

本发明的技术方案：

一种诱导近壁团簇凝结的仿生捕水强化表面结构，所述的仿生捕水强化表面结构主要由基底表面和空间结构表面两部分组成；基底表面为带有水流通道的铜表面，水流通道的深度为0.5 mm，宽度为0.5 mm，长为10~18 mm；基底表面的直径为28 mm，厚度为2 mm；空间结构表面由铜粉烧结而成，铜柱的直径为2 mm，高度为200 μm ~900 μm，相邻两铜柱之间的距离为1 mm。

一种诱导近壁团簇凝结的仿生捕水强化表面结构的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：铜基底的制备：将打磨后的铜基板分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，清洗后的铜基板雕刻出深度0.5 mm、宽度0.5 mm、长度10~18mm的水流通道；

步骤2：制备多孔铜柱所需的石墨模板：在石墨模板一表面雕刻出带有若干个孔的石墨模板，其中孔的深度为200~900 μm，孔的直径为2 mm，孔之间的间距为1mm；同时在石墨模板另一表面上雕刻出直径为28 mm的圆形凹槽，圆形凹槽与孔相通，用于放置铜基底；

步骤3：将步骤1处理好的铜基底放入石墨模板的凹槽内，此时铜基底直接与石墨模板上的孔相连，在孔内填充铜粉，铜粉直径为10~150 μm，铜粉填充完毕后，将石墨模板用夹具夹紧；

步骤4：铜基底与铜柱的烧结：将所得的石墨模板与铜基底的组合结构放入真空烧结炉中进行铜粉烧结，在900℃~1100℃条件下，烧结30min，将多孔铜柱与铜基底烧结在一起；

步骤5：将所得表面用0.0025mol/L十八烷基硫醇的乙醇溶液处理，得到疏水的空间结构表面，然后将表面上的多孔铜柱进行覆盖，用等离子体将表面处理成亲水表面；此时由于多孔铜柱被包裹维持疏水，铜基底经等离子体处理之后保持亲水。

本发明的有益效果：

1.本发明提供的一种诱导近壁团簇凝结的仿生捕水强化表面，通过模仿天竺葵叶片上的纤毛结构，在常规集水表面的基础上引入空间结构。与常规的集水表面相比，该表面上的空间结构可以促进团簇的演化成核，集水量比普通表面明显提高，其集水能力是普通集水表面的2.4倍。

2.本发明提供的一种诱导近壁团簇凝结的仿生捕水强化表面，表面的制备方法简单，模板可以重复利用，并且表面的制备方法近乎适合所有材质。并且在表面的制备过程中采用的金属颗粒无毒无害，在制备过程中不引入污染物，最重要的是所得表面的强度好，可以重复利用。

3.本发明提供的一种诱导近壁团簇凝结的仿生捕水强化表面，因为表面的空间结构由多孔铜粉烧结而成，与其他的除湿手段相比，该表面不同与其他的化学试剂的除湿，表面可以将空气中的水捕获收集，在降低空气湿度的同时，表面收集的水可以用于日常的生产生活。

综上所述，在海水淡化、水蒸气冷凝收集淡水的过程中，或者海洋、船舶等高湿度地区，用本发明的表面可以强化冷凝，进而高效完成淡水收集，从而解决日常用水需要。除此之外，应用本发明的技术方案能够在解决沿海地区和微电子行业的除湿需求，在除湿的同时表面可以收集利用空气中的水蒸汽。通过利用除湿产生的水，表面对于解决淡水短缺问题又有一定的贡献。

基于上述理由，本发明可以在沿海地区淡水短缺、海水淡化和微电子行业除湿等领域广泛应用。

附图说明

图1为本发明制备一种用于高湿度地区集水、除湿的仿天竺葵表面的设计、制备方法的工艺流程图。

图2为本发明实施例1中利用上述方法制备得到的表面，其中（a）为表面的整体图，（b）为表面的放大图，（c）为铜柱竖直方向的放大图，烧结铜粉直径为150 μm，铜柱的高度为300 μm，可以清晰的看出铜粉两层排列，由此可以得出本发明在表面高度控制上的准确性。

图3为本发明表面不同区域的接触角示意图，其中（a）为铜粉基底表面的示意图，因为其超亲水结构接触角为0°，（b）为多孔铜柱的接触角示意图，铜柱经过十八烷基硫醇的乙醇溶液处理后接触角为140°。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

本发明的技术方案是：首先利用模板法得到不同尺寸的石墨模板，然后在模板中填充铜粉，将铜片作为基底与石墨模板用磨具夹紧，在900℃~1100℃的真空烧结炉中烧结30 min，冷却后将多孔铜柱变为疏水，铜基底为亲水。具体工艺流程如下：

1.基材预处理：用800#、2000#和3000#砂纸依次打磨铜基底，对铜基底表面进行抛光处理。将抛光后的基材（铜基底）分别用丙酮和乙醇超声清洗5 min，然后用去离子水超声清洗5 min去除残余的乙醇和丙酮。

2.铜基底的加工：用直径为0.5 mm的平底铣刀雕刻处理好的铜基底表面，刀具的给进为20 mm/min，转速为8000 r/min，得到深度为0.5 mm，宽度为0.5mm，长为10~18 mm的水流通道。

3.石墨模板的加工：取一表面平整的石墨板，石墨板的尺寸为40 mm×40 mm×2mm，首先用雕刻机在石墨板的一侧雕刻直径为2 mm，深度为300 μm的石墨孔。石墨孔雕刻完毕后翻转石墨板，在石墨板的另一侧与石墨孔的对应位置雕刻深度为1700 μm，直径为28mm的圆形凹槽，凹槽的作用时放置步骤2制备的铜基底表面。

4.空间结构表面的烧结：将铜基底表面放置在凹槽上之后，在石墨孔内填充直径为150 μm的铜粉，待铜粉填充完毕之后，用夹具夹紧使铜粉填充充实以保证铜粉和铜基底充分接触。将夹具夹紧的组合结构放入真空烧结炉中，在900℃下真空烧结30 min得到高度为300 μm的多孔铜柱表面。

5.表面疏水化：将0.0025 mol/L的十八烷基硫醇的乙醇溶液放入70℃的水浴锅中预热5 min，预热完毕后将表面入十八烷基硫醇的乙醇溶液中，在70℃水浴锅中疏水化处理1 h，处理完毕之后整个表面为超疏水，接触角为140°。

6.制备不同润湿性表面：经过步骤5处理后的表面呈疏水状态，我们要在维持铜柱疏水的条件下，将基底变为亲水。首先遮住铜柱，使铜柱的润湿性在后续处理中不被影响，继续保持其疏水性；然后将表面放入等离子体中处理10 min，铜基底被处理为亲水，铜柱因未被处理依旧保持其疏水结构。

需要指出的是，通过改变石墨模板中石墨孔的深度，和填充铜粉的直径我们很容易得到其他类型的具有空间结构的不同表面。

Claims (1)

1.一种诱导近壁团簇凝结的仿生捕水强化表面结构的制备方法，所述的仿生捕水强化表面结构主要由基底表面和空间结构表面两部分组成；基底表面为带有水流通道的铜表面，水流通道的深度为0.5 mm，宽度为0.5 mm，长为10~18 mm；基底表面的直径为28 mm，厚度为2 mm；空间结构表面由铜粉烧结而成，铜柱的直径为2 mm，高度为200 μm ~900 μm，相邻两铜柱之间的距离为1 mm；

其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：

步骤1：铜基底的制备：将打磨后的铜基板分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，清洗后的铜基板雕刻出深度0.5 mm、宽度0.5 mm、长度10~18mm的水流通道；

步骤2：制备多孔铜柱所需的石墨模板：在石墨模板一表面雕刻出带有若干个孔的石墨模板，其中孔的深度为200~900 μm，孔的直径为2 mm，孔之间的间距为1mm；同时在石墨模板另一表面上雕刻出直径为28 mm的圆形凹槽，圆形凹槽与孔相通，用于放置铜基底；

步骤3：将步骤1处理好的铜基底放入石墨模板的凹槽内，此时铜基底直接与石墨模板上的孔相连，在孔内填充铜粉，铜粉直径为10~150 μm，铜粉填充完毕后，将石墨模板用夹具夹紧；

步骤4：铜基底与铜柱的烧结：将所得的石墨模板与铜基底的组合结构放入真空烧结炉中进行铜粉烧结，在900℃~1100℃条件下，烧结30min，将多孔铜柱与铜基底烧结在一起；

步骤5：将所得表面用0.0025mol/L十八烷基硫醇的乙醇溶液处理，得到疏水的空间结构表面，然后将表面上的铜柱进行覆盖，用等离子体将表面处理成亲水表面；此时由于铜柱被包裹维持疏水，铜基底经等离子体处理之后保持亲水。

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