CN115446944B - 一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法及其辐射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木材功能性改性技术领域的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法及其辐射装置，旨在解决现有技术中雾收集使用材料制备成本高、制作复杂等问题。其方法包括将圆柱形木棒放入离子水中超声清洗，并进行干燥；将干燥后的圆柱形木棒固定在旋转机构上，并通过带式砂光机进行磨削，制成锥形木针；将锥形木针浸渍于疏水改性溶液，并取出用乙醇清洗后进行干燥；将干燥后的锥形木针放置于辐射装置中进行辐射，制成梯度润湿性的锥形木针；本发明适用于雾收集获取淡水，能够便于批量制成梯度润湿性锥形木针，成本低廉、制备方式简单。

Description

一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法及其辐射装置
技术领域
本发明涉及一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法及其辐射装置，属于木材功能性改性技术领域。
背景技术
随着全球变暖的进程，某些地区的水资源短缺问题逐渐变得严重。因此，寻找环保高效的获取淡水的方法已是一个亟需解决的问题。研究人员根据不同的需求，开发了几种淡水收集策略，如海水淡化、渗透膜、污水处理和雾收集。在这些水分收集方法中，雾收集被认为是缓解水资源短缺最有潜力的方法，特别是在干旱和半干旱地区。仙人掌作为一种的抗旱植物，表现出优异的集雾、集水能力。对仙人掌的研究表明，仙人掌的集水能力来源于仙人掌脊柱表面的层次性沟槽结构，这种沟槽结构赋予仙人掌自身一个拉普拉斯压力梯度和润湿性梯度。而这两种梯度的协同作用可以提供驱动力，将水滴从尖端输送到底部，并在底部被毛状体迅速吸收。受到这种定向输水特性的启发，研究人员开发了仿仙人掌脊柱的锥形结构。锥形结构的制备主要采用金属丝和可固化聚合物。对于金属丝，采用电化学腐蚀法，对于可固化树脂，采用3D打印技术。这些制备方法制作成本高、且制作过程复杂，制作周期长，不适用于大批量快速制备。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法及其辐射装置；锥形木针的制作成本低、制备方式简单，可以大批量生产。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，所述方法包括：
将圆柱形木棒放入离子水中超声清洗，并进行干燥；
将干燥后的圆柱形木棒固定在圆周旋转机构上，并倾斜带式砂光机进行磨削，制成锥形木针；
将锥形木针浸渍于疏水改性溶液，并取出用乙醇清洗后进行干燥；
将干燥后的锥形木针放置于辐射装置中进行辐射，制成梯度润湿性的锥形木针。
进一步的，所述圆柱形木棒的直径为0.5-2mm，长度为10-100mm，在离子水中超声清洗10-30min，干燥时间为2-6h。
进一步的，设定所述旋转机构的转速为100-600r/min；所述带式砂光机的倾斜角度为1-8°进行磨削，磨削时间为2-5min。
进一步的，所述疏水改性溶液由质量比为1:2-1:4的疏水剂与TiO2纳米颗粒混合，并放入浓度为10-40wt％的乙醇溶液制成。
进一步的，所述疏水剂为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷、烷基异氰酸酯其中一种或几种。
进一步的，所述TiO2纳米颗粒的粒径的大小为100-200nm。
进一步的，制成的锥形木针放入所述疏水改性溶液的浸渍时间为1-3h，取出后用乙醇清洗后进行干燥，干燥时间为6-12h。
进一步的，设定紫外线辐射装置移动的加速度为0.1-0.5mm/s2，初始速度为0mm/s；紫外线辐射装置辐射强度为0.35W/m2；辐射间隙的宽度为0.5-1mm。
本发明提供了一种用于制备锥形木针的辐射装置，包括控制面板、多个滑动组件和辐射机构；所述滑动组件包括相互滑动连接的滑动导轨和滑块；所述滑块与所述辐射机构固连；多个滑块通过通讯线连接到控制面板，所述控制面板控制所述滑块在滑动轨道上运动，用于驱动所述辐射机构竖向直线运行；所述辐射机构上设有放置锥形木针的通孔；所述通孔的径向设有环形辐射间隙；所述环形辐射间隙外侧装有环形紫外线灯管，环形紫外线灯管的紫外线通过环形辐射间隙辐射到所述通孔内的锥形木针。
进一步的，多个所述滑块通过连接件依次串接。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明通过采用一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，制备出可以集雾、集水的锥形木针；木材是一种天然的有机高分子材料，不同于金属、塑料、玻璃等材料，木材具有丰富、精细、复杂、层级的解剖结构，同时具有易于加工、强重比高、资源丰富且可再生等特点。值得注意的是，木材中的管胞沿径向排列，内部中空，细而长，具有类似仙人掌脊柱的层次性凹槽结构；木材易于切削的特点，制备成锥形木针具有成本低、制备简单、可大批量生产的优点，制备成的锥形木针通过疏水改性溶液的浸泡，乙醇清洗后的干燥，以及通过紫外线的辐射过程的把控，确保制备出的锥形木针从尖端到底部的梯度润湿性可控，实现表面性质与结构几何二者协同作用的目的，从而能够高效、持续的水雾收集和液体的定向自运输。
本发明提供的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的辐射装置，辐射机构的通孔设计用于放置需要制备成为梯度润湿性的锥形木针，控制面板驱动滑动导轨上的滑块运行；滑块连接的辐射机构上下运行，环形辐射间隙内安装的环形紫外线灯管的发出的紫外线辐射在锥形木针，控制面板控制滑块速度，从而快速实现锥形木针润湿性的梯度性可调，但并非限制整个木针整长都是梯度的，可以选择性的梯度某一截或者某几截。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法工艺流程图；
图2为旋转机构和倾斜带式砂光机配合制成锥形木针的示意图；
图3为本发明提供的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的辐射装置的结构示意图；
图4为图3的立体图；
图5为图3的辐射机构的半剖示意图；
图中：1、控制面板；2、滑动导轨；3、滑块；4、辐射机构；5、连接件；6、电动机；7、扳手式夹头；8、带式砂光机；
41、环形辐射间隙；42、环形紫外线灯管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考图2所示，本发明将圆柱形木棒制成锥形木针的过程中使用带式砂光机8打磨，以东成S1T-FF-9*533带式砂光机为例。旋转机构可选用电动机6带动扳手式夹头7，扳手式夹头7的夹持范围为0.5-13mm。圆柱形木棒放置在扳手式夹头7夹持固定，电动机6驱动扳手式夹头7转动，带动圆柱形木棒转动。人为或者机械控制调整带式砂光机8打磨角度，打磨圆柱形木棒。
实施例一：
参见图1所示，本实施例提供了一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，该方法包括：
步骤一，将圆柱形木棒放在离子水中，进行超声清洗，然后将清洗过后的圆柱形木棒进行干燥；
步骤二，将干燥后的圆柱形木棒固定在旋转机构上，利用倾斜带式砂光机进行磨削制成锥形木针；
步骤三：将锥形木针浸渍于疏水改性溶液，并取出用乙醇清洗后进行干燥；
步骤四：将干燥过后的锥形木针放在紫外线辐射装置进行辐射，从而制成梯度润湿性的锥形木针，能够进行高效、持续的水雾收集和液体的定向自运输。
其中，选取圆柱形木棒的直径为0.5-2mm，长度为10-100mm，并且当圆柱形木棒浸于离子水中进行超声清洗时，所用超声清洗为10-30min，干燥时间为2-6h。
旋转机构的转速为100-600r/min，同时配合磨削圆柱形木棒的带式砂光机的倾斜角度为1-8°，磨削圆柱形木棒的所有时间为为2-5min。
疏水改性溶液是由质量比为1:2-1:4的疏水剂与TiO2纳米颗粒混合置于浓度为10-40wt％的乙醇溶液中制得。其中疏水剂可选用1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，或者乙烯基三乙氧基硅烷，或者十六烷基三甲氧基硅烷，或者聚二甲基硅氧烷，或者烷基异氰酸酯其中一种或者几种组合。TiO2纳米颗粒的粒径大小为100-200nm。
制成的锥形木针在浸泡疏水改性溶液过程中，所用浸泡时间范围选用1-3h，将锥形木针浸渍于疏水改性溶液，并取出用乙醇清洗后进行干燥，干燥锥形木针的时间为6-12h即可。
设定紫外线辐射装置移动的加速度为0.1-0.5mm/s2，初始速度为0mm/s；紫外线辐射装置辐射强度为0.35W/m2；辐射间隙的宽度为0.5-1mm，对干燥后的锥形木针，进行辐照得到能够进行水雾收集和液体的定向自运输的锥形木针。
实施例二：
参见图1所示，本实施例根据实施例一提供了一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，选取直径为0.5㎜，长度为100㎜的圆柱形木棒，在离子水中超声清洗30min，清洗完后，烘箱干燥2小时。
干燥后，圆柱形木棒固定在旋转机构上，并与地面垂直。旋转机构转速为300r/min，带动圆柱形木棒旋转；同时，带式砂光机倾斜角度设置为1°对圆柱形木棒进行磨削，磨削时长为5分钟，制成锥度为2°的锥形木针。
将锥度为2°的锥形木针放入疏水剂与TiO2纳米颗粒的质量比为1:2，混合在浓度为40wt％的乙醇溶液制成疏水改性溶液中浸泡，取出用乙醇清洗后，干燥6小时。
此时，锥形木针已改变性质，再将其放入本申请提供的用于制备锥形木针的辐射装置进行辐射。辐射间隙的宽度设置为0.5mm，紫外线辐射强度为0.35W/m2。从锥形木针的底部开始辐射，加速度为0.1mm/s2移动至尖端后，制得具有梯度润湿性锥形木针。
实施例三：
参见图1所示，本实施例根据实施例一提供了一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，选取直径为0.5㎜，长度为100㎜的圆柱形木棒，在离子水中超声清洗30分钟，清洗完后干燥2小时。
干燥后，圆柱形木棒固定在旋转机构上，并与地面垂直。旋转机构转速为300r/min，带动圆柱形木棒旋转；同时，带式砂光机倾斜角度设置为2°对圆柱形木棒进行磨削，磨削时长为3分钟，制成锥度为4°的锥形木针。
将锥度为4°的锥形木针放入疏水剂与TiO2纳米颗粒的质量比为1:3，混合在浓度为40wt％的乙醇溶液制成疏水改性溶液中浸泡，取出用乙醇清洗后，干燥6小时。
此时，锥形木针已改变性质，再将其放入本申请提供的用于制备锥形木针的辐射装置进行辐射。辐射间隙的宽度设置为0.5mm，紫外线辐射强度为0.35W/m2。从锥形木针的底部开始辐射，加速度为0.2mm/s2移动至尖端后，制得具有梯度润湿性锥形木针。
实施例四：
参见图1所示，本实施例根据实施例一提供了一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，选取直径为1㎜，长度为100㎜的圆柱形木棒，在离子水中超声清洗30分钟，清洗完后干燥2小时。
干燥后，圆柱形木棒固定在旋转机构上，并与地面垂直。旋转机构转速为300r/min，带动圆柱形木棒旋转；同时，带式砂光机倾斜角度设置为4°对圆柱形木棒进行磨削，磨削时长为3分钟，制成锥度为8°的锥形木针。
将锥度为8°的锥形木针放入疏水剂与TiO2纳米颗粒的质量比为1:3，混合在浓度为40wt％的乙醇溶液制成疏水改性溶液中浸泡，取出用乙醇清洗后，干燥8小时。
此时，锥形木针已改变性质，再将其放入本申请提供的用于制备锥形木针的辐射装置进行辐射。辐射间隙的宽度设置为0.5mm，紫外线辐射强度为0.35W/m2。从锥形木针的底部开始辐射，加速度为0.2mm/s2移动至尖端后，制得具有梯度润湿性锥形木针。
实施例五：
参见图1所示，本实施例根据实施例一提供了一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，选取直径为1㎜，长度为100㎜的圆柱形木棒，在离子水中超声清洗30分钟，清洗完后干燥2小时。
干燥后，圆柱形木棒固定在旋转机构上，并与地面垂直。旋转机构转速为300r/min，带动圆柱形木棒旋转；同时，带式砂光机倾斜角度设置为7°对圆柱形木棒进行磨削，磨削时长为5分钟，制成锥度为14°的锥形木针。
将锥度为14°的锥形木针放入疏水剂与TiO2纳米颗粒的质量比为1:3，混合在浓度为40wt％的乙醇溶液制成疏水改性溶液中浸泡，取出用乙醇清洗后，干燥6小时。
此时，锥形木针已改变性质，再将其放入本申请提供的用于制备锥形木针的辐射装置进行辐射。辐射间隙的宽度设置为1mm，紫外线辐射强度为0.35W/m2。从锥形木针的底部开始辐射，加速度为0.3mm/s2移动至尖端后，制得具有梯度润湿性锥形木针。
实施例六：
参见图1所示，本实施例根据实施例一提供了一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，选取直径为1㎜，长度为100㎜的圆柱形木棒，在离子水中超声清洗30分钟，清洗完后干燥2小时。
干燥后，圆柱形木棒固定在旋转机构上，并与地面垂直。旋转机构转速为300r/min，带动圆柱形木棒旋转；同时，带式砂光机倾斜角度设置为8°对圆柱形木棒进行磨削，磨削时长为4分钟，制成锥度为16°的锥形木针。
将锥度为16°的锥形木针放入疏水剂与TiO2纳米颗粒的质量比为1:3，混合在浓度为40wt％的乙醇溶液制成疏水改性溶液中浸泡，取出用乙醇清洗后，干燥6小时。
此时，锥形木针已改变性质，再将其放入本申请提供的用于制备锥形木针的辐射装置进行辐射。辐射间隙的宽度设置为2mm，紫外线辐射强度为0.35W/m2。从锥形木针的底部开始辐射，加速度为0.3mm/s2移动至尖端后，制得具有梯度润湿性锥形木针。
实施例七：
参见图3、图4和图5所示，本实施例为上述任一实施例提供了一种用于制备锥形木针的辐射装置，该辐射装置包括控制面板1、多个滑动组件和辐射机构4，其中每个滑动组件包括相互滑动连接的滑动导轨2和滑块3。控制面板1与多个滑块3连接，多个滑块3直接通过环形的连接件5串接在一起，同时控制多个滑块3竖向上下运动。每个滑块3与辐射机构4固定连接。滑动导轨2直立固定于工作面，滑块3相对滑动导轨2运行，带动辐射机构4上下运行。辐射机构4为六棱柱形，在辐射机构4的中心设置一个放置锥形木针的通孔，通孔的直径大于锥形木针底面直径。在通孔内壁上，径向设置有环形辐射间隙41，该环形辐射间隙41的外侧安装环形紫外线灯管42。锥形木针放置其通孔内，滑块3运行带动辐射机构4上下运行，环形紫外线灯管42通过该环形辐射间隙41辐射到锥形木针上，通过控制面板1对滑动导轨2进行运行速度的控制，制得需要的具有梯度润湿性锥形木针。
为了使得滑块3能够在控制面板1的驱动下，沿滑动导轨2的方向运动，并能够保持运动时处于同一平面，多个滑块3之间通过连接件5连接，该连接件5可采用简单的环形金属段。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，其特征在于，所方法包括：
将圆柱形木棒放入离子水中超声清洗，并进行干燥；
将干燥后的圆柱形木棒固定在旋转机构上，并倾斜带式砂光机进行磨削，制成锥形木针；
将锥形木针浸渍于疏水改性溶液，并取出用乙醇清洗后进行干燥；
将干燥后的锥形木针放置于辐射装置中进行辐射，制成梯度润湿性的锥形木针。
2.根据权利要求1所述的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，其特征在于，所述圆柱形木棒的直径为0.5-2mm，长度为10-100mm，在离子水中超声清洗10-30min，干燥时间为2-6h。
3.根据权利要求2所述的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，其特征在于，设定所述旋转机构的转速为100-600r/min；所述带式砂光机的倾斜角度为1-8°进行磨削，磨削时间为2-5min。
4.根据权利要求2所述的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，其特征在于，所述疏水改性溶液由质量比为1:2-1:4的疏水剂与TiO2纳米颗粒混合，并放入浓度为10-40wt％的乙醇溶液制成。
5.根据权利要求4所述的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，其特征在于，所述疏水剂为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷、烷基异氰酸酯其中一种或几种。
6.根据权利要求4所述的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，其特征在于，所述TiO2纳米颗粒的粒径的大小为100-200nm。
7.根据权利要求4所述的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，其特征在于，制成的锥形木针放入所述疏水改性溶液的浸渍时间为1-3h，取出后用乙醇清洗后进行干燥，干燥时间为6-12h。
8.根据权利要求1所述的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的方法，其特征在于，设定辐射装置移动的加速度为0.1-0.5mm/s2，初始速度为0mm/s；辐射装置辐射强度为0.35W/m2；辐射间隙的宽度为0.5-1mm。
9.一种用于制备梯度润湿性锥形木针的辐射装置，其特征在于，包括控制面板、多个滑动组件和辐射机构；所述滑动组件包括相互滑动连接的滑动导轨和滑块；所述滑块与所述辐射机构固连；多个滑块通过通讯线连接到控制面板，所述控制面板控制所述滑块在滑动轨道上运动，用于驱动所述辐射机构竖向直线运行；所述辐射机构上设有放置锥形木针的通孔；所述通孔的径向设有环形辐射间隙；所述环形辐射间隙外侧装有环形紫外线灯管，环形紫外线灯管的紫外线通过环形辐射间隙辐射到所述通孔内的锥形木针。
10.根据权利要求9所述的一种用于制备梯度润湿性锥形木针的辐射装置，其特征在于，多个所述滑块通过连接件依次串接。
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