CN115821400A - 一种四元仿生雾水收集材料及其制备技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四元仿生雾水收集材料，该材料通过化学刻蚀技术和静电纺丝方法制备。首先，配制氨碱溶液，将铜网浸于氨碱溶液中使其表面生成Cu(OH)2微针，以具有Cu(OH)2微针的铜网为接收基底，在其表面电纺一层串珠状疏水性静电纺丝膜，Cu(OH)2微针和串珠状纳米纤维交叉互穿形成了兼具不对称微观结构和各向异性润湿性的四元仿生Janus材料。该材料多元仿生，微纳结构亲疏复合，比表面积高，制备工艺简便，且具有单向导水的功能，降低了水分的二次蒸发，同时可实现高效的集水和保水，为缓解淡水资源危机提供了新的思路，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种四元仿生雾水收集材料及其制备技术，属于雾水收集技术应用领域。
背景技术
淡水资源短缺已经成为一个严峻的全球性问题。现今，海水淡化、废水处理被视为回收淡水的有效方法，但这些方法成本高昂，不能广泛适用于发展中国家，且受限于地理环境。雾水收集是一种环保、低成本及可持续的缓解淡水稀缺的方法，它可以将空气中的隐性水资源转化为显性的可利用的水资源。
目前，集雾材料在应用中主要面临两大难题：其一，收集的液滴会使集雾材料发生网孔堵塞；其二，捕获液滴的二次挥发。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。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、难以大规模制备等问题。
一定程度上而言，仿生材料的表面结构与化学组成对其集水效能起决定性作用。仅单一仿特殊结构生物的表面特征，所研制出的人工微纳米材料的集水效率并不理想。构建高效雾水收集表面的关键要素在于：(1)相对亲水且比表面积大的表面有利于液滴捕获；(2)相对疏水且光滑的集水表面有利于微型液滴的脱落；(3)分级的微纳米级通道或者锥形结构能够促进液滴运输；(4)降低表面水分的再蒸发速率有利于提高雾水收集量。如何巧妙地构建出具有上述要素的雾水收集装置成为目前当下亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的在于针对现有材料中存在的问题，提供一种工艺简单，能大规模制备的多元仿生雾水收集材料及其制备方法，构筑微纳亲疏复合Janus材料。微纳亲疏复合界面有利于加强雾气捕获，单向导水功能有利于降低水分的二次蒸发，实现高效的雾水收集。
本发明的技术方案是：
步骤一、清洗原始铜网；
步骤二、制备Cu(OH)2微针铜网；
步骤三、制备Cu(OH)2微针铜网和串珠状静电纺丝膜复合材料；
进一步的，步骤一中所述清洗原始铜网：将购得的200目铜网依次浸于无水乙醇、盐酸和去离子水中超声清洗30min，以去除油脂等杂质。
进一步的，步骤二中所述制备Cu(OH)2微针铜网：将预清洗之后的铜网浸渍在氨碱液中，置于室温下反应一段时间，最后用去离子水洗净，真空干燥箱干燥。
进一步的，步骤一中所述化学刻蚀过程中所需氨碱液浓度为NaOH 2.5mol/L，(NH4)2S2O80.05～0.13mol/L，反应时间为20～40min。
进一步的，步骤三中所述制备Cu(OH)2微针铜网和串珠状静电纺丝膜复合材料，将PVC粉末溶于二甲基乙酰胺溶液(DMAc)中，配制质量浓度为9％～18％的静电纺丝液，60℃水浴条件下磁力搅拌4小时，以制备静电纺丝液。将铜网裹覆在静电纺丝机圆筒接收棍表面，接收距离为15cm，纺丝电压设置为18kV，接收棍转速为300r/min，流量设置为0.5mL/h，电纺10～30min使Cu(OH)2微针结构能够穿透静电纺丝膜。
本发明的优点是：
该材料采用铜网与PVC作为主材料，成本低廉，便于获取。
该材料通过化学刻蚀和静电纺丝技术制备，制备工艺简单。
该材料由亲水性Cu(OH)2微针和疏水性串珠状纳米纤维组成，具有高比表面积和亲疏复合界面，增强了雾滴的捕获，凝结与运输，实现了高效的雾水收集效率，为80.57mgmin-1cm-2。
该材料由亲水性铜网和疏水性纳米纤维膜构成，具有单向导水功能，降低了水分的二次蒸发，采在湿度为60％，温度为25℃下，该材料的保水率可达92.97％。因此该材料为缓解淡水资源危机提供了新的思路，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，
图1为实施例一中制备的一种四元仿生雾水收集材料的表面SEM图；
图2为对比例一中制备的预清洗之后的铜网表面SEM图；
图3为对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网表面SEM图；
图4为实施例一中制备的一种四元仿生雾水收集材料表面、对比例一中制备的预清洗之后的铜网材料表面、对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网表面的XRD图。
图5为实施例一中制备的四元仿生雾水收集材料表面、对比例一中制备的预清洗之后的铜网表面、对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网表面的接触角对比图。
图6为实施例一中制备的四元仿生雾水收集材料、对比例一中制备的预清洗之后的铜网材料、对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网的集水量对比图。
图7为实施例一中制备的四元仿生雾水收集材料、对比例一中制备的预清洗之后的铜网材料、对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网的保水效率对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图、实施例和对比例进一步说明本发明的技术方案。但是，本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
首先，此处所称的“实施例一”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。
另外，本发明中所讲的字母简称，均为本领域固定简称，其中部分字母文解释如下：PVC：聚氯乙烯；DMAc：二甲基乙酰胺；SEM：电子扫描显像图；EDS：能谱图；XRD：X射线衍射图。
实施例一
本实施方式按照如下步骤制备一种四元雾水收集材料：
第一步、清洗购买的铜网
将200目铜网依次浸于无水乙醇、盐酸和去离子水中超声清洗30min，以去除油脂等杂质。
第二步、制备Cu(OH)2微针铜网
然后将铜网浸渍在2.5mol/L的NaOH和0.1mol/L的(NH4)2S2O8的混合溶液中，置于室温下反应30min，最后用去离子水洗净，真空干燥箱干燥。
第三步、制备串珠状静电纺丝和针刺铜网的复合材料
将PVC溶于二甲基乙酰胺溶液(DMAc)中，配制质量浓度为15％的静电纺丝液，60℃水浴条件下磁力搅拌4小时，以制备静电纺丝液。将铜网裹覆在静电纺丝机圆筒接收棍表面，接收距离为15cm，纺丝电压设置为18kV，接收棍转速为300r/min，流量设置为0.5mL/h，电纺20min。
本实施例所制得的一种四元仿生雾水收集材料的表面情况请参阅图1，图1为本发明实施例一中制备的表面SEM图。
对比例一
本实施方式按照如下步骤制备预清洗铜网：
第一步、清洗购买的铜网
将200目铜网依次浸于无水乙醇、盐酸和去离子水中超声清洗30min，以去除油脂等杂质。
本实施例所制得的预清洗之后的铜网的表面情况请参阅图2，图2为本发明实施例一中制备的表面SEM图。
对比例二
本实施方式按照如下步骤制备Cu(OH)2微针铜网：
第一步、清洗商业购买的铜网
将200目铜网依次浸于无水乙醇、盐酸和去离子水中超声清洗30min，以去除油脂等杂质。
第二步、制备Cu(OH)2微针铜网
然后将铜网浸渍在2.5mol/L的NaOH和0.1mol/L的(NH4)2S2O8的混合溶液中，置于室温下反应30min，最后用去离子水洗净，真空干燥箱干燥。
本实施例所制得的Cu(OH)2微针铜网的表面情况请参阅图3，图3为本发明实施例一中制备的表面SEM图。如图3所示，铜丝表面呈放射状均匀地生成微针。
表1为实施例一中制备的一种四元仿生雾水收集材料表面、对比例一中制备的预清洗之后的铜网材料表面、对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网表面的元素含量表。
表1
综上，参阅表1、图4，表1为实施例一中制备的四元仿生雾水收集材料表面、对比例一中制备的预清洗之后的铜网表面、对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网表面的元素含量表；图4为实施例一中制备的一种四元仿生雾水收集材料表面、对比例一中制备的预清洗之后的铜网材料表面、对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网表面的XRD图。通过对比，实施例一中所制备的四元仿生雾水收集材料的Cl元素明显高于对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网，这是因为PVC静电纺丝膜在Cu(OH)2微针铜网表面成功附着。对比例二中所制备的Cu(OH)2微针铜网的O元素明显高于对比例一中制备的预清洗之后的铜网，这是因为铜网表面成功生成Cu(OH)2微针。
参阅图5，图5为实施例一中制备的四元仿生雾水收集材料表面、对比例一中制备的预清洗之后的铜网表面、对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网表面的接触角对比图。通过对比，实施例一中制备的四元仿生雾水收集材料表面的接触角比对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网表面的接触角大，这是因为表面电纺的静电纺丝膜是疏水的。对比例二中所制备的Cu(OH)2微针铜网表面的接触角比对比例一中制备的预清洗之后的铜网表面的接触角小，这是因为铜网表面生成的Cu(OH)2微针有亲水的OH-。
参阅图6，图6为实施例一中制备的四元仿生雾水收集材料、对比例一中制备的预清洗之后的铜网材料、对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网的集水量对比图。通过对比，实施例一中制备的四元仿生雾水收集材料的集水量比对比例一中制备的预清洗之后的铜网和比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网的集水量高，这是因为其表面电纺了一层疏水性纳米纤维膜，增加了样品的比表面积，有利于雾气的捕获和凝结。另外，表面电纺的疏水性纳米纤维膜与亲水性铜网基底形成了Janus结构，赋予四元仿生雾水收集材料材料定向导水的功能，使四元仿生雾水收集材料持续不断的生成捕雾表面。
参阅图7，图7为实施例一中制备的四元仿生雾水收集材料、对比例一中制备的预清洗之后的铜网材料、对比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网的保水效率对比图。通过对比，实施例一中制备的四元仿生雾水收集材料的保水效率比对比例一中制备的预清洗之后的铜网和比例二中制备的Cu(OH)2微针铜网的集水量高，这是因为其表面电纺的疏水性纳米纤维膜与亲水性铜网基底形成了Janus结构，使水分只能由疏水侧向亲水侧运输，反之不能，降低了水分的二次蒸发。
综上所述，本发明公开了一种四元仿生雾水收集材料，该材料通过化学刻蚀技术和静电纺丝方法制备。该材料多元仿生，微纳结构亲疏复合，比表面积高，制备工艺简便，且具有单向导水的功能，降低了水分的二次蒸发，同时实现了高效的集水和保水，对缓解淡水资源危机提供了新的思路，具有广泛的应用前景。
应说明的是，以上实施例、对比例仅用以说明本发明的技术方案，而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种四元仿生雾水收集材料及其制备技术，其特征在于，该材料的制备方法包括如下步骤：
(1)清洗原始铜网(Cu mesh)；(2)制备Cu(OH)2微针铜网(MN Cu mesh)：将预清洗铜网浸入氨碱液中反应一段时间后取出，清洗并烘干，得到Cu(OH)2微针铜网；(3)制备Cu(OH)2微针铜网和串珠状静电纺丝膜复合材料(NF/MN Cu mesh)：以Cu(OH)2微针铜网为接收基底，在其上电纺一层串珠状疏水性静电纺丝膜，通过调节纺丝时间，使微米级针刺结构能够穿透静电纺丝膜，得到Cu(OH)2微针铜网和串珠状静电纺丝膜复合材料。
2.根据权利要求1所述的微针铜网(MN Cu mesh)的制备方法，其特征在于：将购得的200目铜网依次浸于无水乙醇、盐酸和去离子水中超声清洗30min，以去除油脂等杂质，然后将铜网浸入氨碱液中，置于室温下反应30min，最后用去离子水洗净，真空干燥箱干燥。
3.根据权利要求2所述的氨碱液的制备方法，其特征在于：所述化学刻蚀过程中所需氨碱液为NaOH和(NH4)2S2O8的混合溶液，NaOH浓度为2.5mol/L，(NH4)2S2O8浓度为0.05～0.13mol/L，反应时间为20～40min。
4.根据权利要求1所述静电纺丝液的制备方法，其特征在于：将PVC粉末溶于DMAc溶液(二甲基乙酰胺)中，配制质量浓度为9％～18％的静电纺丝液，60℃水浴条件下磁力搅拌4小时，以制备静电纺丝液。
5.根据权利要求1所述的四元仿生雾水收集装置，其特征在于：将制备好的Cu(OH)2微针铜网裹覆在静电纺丝机圆筒接收棍表面，接收距离设置为15cm，纺丝电压设置为18kV，接收棍转速为300r/min，流量设置为0.5mL/h，纺丝时间为10～30min。
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Non-Patent Citations (1)
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