CN116833078A - 一种液滴体量监测装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液滴体量监测装置及其制备方法。制备方法包括以下步骤：a.将壳聚糖、冰醋酸、水混合形成壳聚糖溶胶，将粒径1～5μm碳化硅颗粒加入壳聚糖溶胶中，搅拌均匀得到混合溶液；b.将混合溶液涂敷于铅笔一端切削形成的锥形基底上，浸泡于氢氧化钠溶液后发生交联反应，在锥形基底表面形成厚度为1～10μm水伏涂层，得到针状液滴体量监测装置。本发明制备工艺简单、成本低廉和生产周期短；能够利用锥形结构存在的拉普拉斯压差让液滴在其表面自发流动，并通过表面涂敷的水伏涂层对液滴大小进行监测。
Description
技术领域
本发明涉及水伏与水雾收集功能复合材料领域，具体地指一种液滴体量监测装置及其制备方法。
背景技术
水伏材料是一种将水的流动势能转化为电能的材料，其原理是由于材料本身带有ZETA电位，将其制成器件放入水中时，由于双电层效应，与材料带有相同电荷的粒子会受到库伦斥力作用留在水中，与材料带有异种电荷的粒子会随着水流上升，使材料两端带上异种电荷，从而产生电势差，输出电能。
水伏材料对于水流变化十分敏感，材料的开路电压(Voc)在受到器件高度、宽度影响外，还会受到环境的空气流速、相对湿度(RH)和光照强度等影响水流状态的参量的影响，风速越大、温度越高、相对湿度越低，Voc越大。而高风速、高温度、低相对湿度会增加水蒸发速率，改变水的流动状态，从而增大电压，增强器件性能。
而水雾收集材料是利用结构梯度、润湿性梯度等因素的共同作用，让收集到的液滴在材料表面快速迁移实现高效收集。但目前在水雾收集领域，并不能对水雾收集的效率进行很好地监测。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种工艺简单、生产周期短和成本低廉的液滴体量监测装置及其制备方法；该方法制备的液滴体量监测装置是一种水伏与水雾收集功能复合材料，能够通过表面水伏材料产生的电信号来监测收集的液滴体量。
本发明的技术方案为：一种液滴体量监测装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将壳聚糖、冰醋酸、水混合形成壳聚糖溶胶，将粒径1～5μm碳化硅颗粒加入壳聚糖溶胶中，搅拌均匀得到混合溶液；
b.将混合溶液涂敷于铅笔一端切削形成的锥形基底上，浸泡于氢氧化钠溶液后发生交联反应，取出后烘干在锥形基底表面形成厚度为1～10μm的水伏涂层，得到液滴体量监测装置。
优选的，步骤a中，壳聚糖溶胶中含1～3wt％壳聚糖、2～4.5wt％冰醋酸、其余为水。
优选的，步骤a中，每10mL壳聚糖溶胶对应加入1～3g碳化硅颗粒。
优选的，步骤b中，氢氧化钠溶液浓度为1～2mol/L，浸泡时间为30s～120s。
优选的，步骤b中，所述锥形基底为与铅笔同轴设置、长度7～9cm、底端直径7～8mm的圆锥形结构。
本发明还提供一种液滴体量监测装置，其特征在于，包括一端切削形成锥形基底的铅笔，以及涂敷于锥形基底上厚度为1～10μm的水伏涂层，所述水伏涂层为将粒径1～5μm碳化硅颗粒与壳聚糖溶胶的混合溶液涂敷于锥形基底后、浸泡于氢氧化钠溶液发生交联反应后烘干得到。
优选的，所述壳聚糖溶胶中含1～3wt％壳聚糖、2～4.5wt％冰醋酸、其余为水，每10mL壳聚糖溶胶对应加入1～3g碳化硅颗粒，氢氧化钠溶液浓度为1～2mol/L、浸泡时间为30s～120s。
优选的，所述锥形基底为与铅笔同轴设置、长度7～9cm、底端直径7～8mm的圆锥形结构。
本发明还提供一种以上任一液滴体量监测装置的监测方法，包括以下步骤：
将液滴体量监测装置水平放置，将电化学工作站的参比电极和对电极均连通于锥形基底的尖头端或均连通于锥形基底所在铅笔的另一端铅芯，将电化学工作站的工作电极连通于锥形基底底端周围涂覆的导电涂层上，将水伏涂层润湿，在20℃，相对湿度95％的条件下将液滴滴在锥形基底的尖头端，液滴会自发向尾部传输并使水伏电信号发生突变，测定不同体积液滴产生的电压变化值，拟合得到液滴体积-电压变化值函数关系式。
由于铅笔内部铅芯导通，因此参比电极和对电极连通于锥形基底的尖头端与连通于铅笔的另一端铅芯效果相同。
优选的，还包括：利用液滴体积-电压变化值函数关系式，通过监测液滴经过水伏涂层产生的电压变化值来计算液滴体量。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用锥形结构存在的拉普拉斯压差让液滴在其表面自发流动，并通过表面涂敷的水伏涂层对液滴大小进行监测。且水伏涂层原料为碳化硅、壳聚糖，均来源广泛且对环境友好。
(2)本发明采用铅笔作为基底，是利用其内部导通、外部绝缘且易于加工的特性，易于加工能方便地将其制成锥形器件，外部绝缘使得水伏材料不至于短路，内部导通能够将尖端处的导线接通到尾部，使得液滴能沿着器件传输而不受到导线的干扰。
(3)本发明选取壳聚糖作为结合剂是由于其化学组成虽然疏水，但在形成水凝胶后由于多孔结构具备了吸水储水的能力，在吸水后可以实现从疏水到亲水的转变。
(4)本发明碳化硅颗粒为片层状，壳聚糖水凝胶以颗粒状吸附在表面，起到了增强碳化硅颗粒结合力的作用，且保持堵塞碳化硅颗粒组成的纳米孔道畅通，保证了水伏效应。
因此，本发明制备工艺简单、成本低廉和生产周期短；利用锥形结构存在的拉普拉斯压差让液滴在其表面自发流动，并通过表面涂敷的水伏涂层对液滴大小进行监测。
附图说明
图1为液滴体量监测装置结构示意图
图2为液滴体量监测装置实物图
图3是本发明制备的液滴体量监测装置表面的接触角照片；
图4是5μl水在本发明制备的液滴体量监测装置的吸水性照片；
图5是5μl水在本发明制备的液滴体量监测装置的滑动照片；
图6(a)～(c)是不同放大倍数的水伏材料SEM照片；
图7为针状液滴体量监测装置使用状态图
图8是不同体积的液滴经过液滴体量监测装置表面时产生的电信号差异。
其中：1-锥形基底2-铅笔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例中所用的药品未经特别说明均为市售产品，所用方法未经特别说明均为本领域常规方法。
实施例1
本实施例提供一种液滴体量监测装置的制备方法，步骤如下：
a.先将壳聚糖和冰醋酸(密度1.05g/ml)加入到去离子水中，搅拌溶解得壳聚糖溶胶(壳聚糖溶胶中含2wt％壳聚糖、3.15wt％冰醋酸、其余为水)。
b.将2g粒径为3μm的碳化硅颗粒加入到10ml所述壳聚糖溶胶中，搅拌均匀得混合溶液。将混合溶液涂敷到铅笔2一端的锥形基底1(锥形基底1由铅笔2一端切削形成，锥形基底1为长度L＝7cm、底端直径d＝7mm的圆锥形结构)上，浸泡在1mol/L的氢氧化钠溶液30s后取出，40～50℃下真空干燥0.5～2h，在锥形基底1表面形成厚度为1～10μm水伏涂层，制得如图1所示的液滴体量监测装置，实物图如图2所示。
实施例2
本实施例提供一种液滴体量监测装置的制备方法，步骤如下：
a.先将壳聚糖和冰醋酸(密度1.05g/ml)加入到去离子水中，搅拌溶解得壳聚糖溶胶(壳聚糖溶胶中含1wt％壳聚糖、4.2wt％冰醋酸、其余为水)；
b.将1g粒径为5μm的碳化硅颗粒加入到10ml所述壳聚糖溶胶中，搅拌均匀得混合溶液。将混合溶液涂敷到铅笔2一端的锥形基底1(锥形基底1由铅笔2一端切削形成，锥形基底1为长度L＝7cm、底端直径d＝7mm的圆锥形结构)上，浸泡在1mol/L的氢氧化钠溶液40s后取出，40～50℃下真空干燥0.5～2h，在锥形基底1表面形成厚度为1～10μm水伏涂层，制得如图1所示的液滴体量监测装置。
实施例3
本实施例提供一种针状液滴体量监测装置的制备方法，步骤如下：
a.先将壳聚糖和冰醋酸(密度1.05g/ml)加入到去离子水中，搅拌溶解得壳聚糖溶胶(壳聚糖溶胶中含3wt％壳聚糖、4.2wt％冰醋酸、其余为水)；
b.将1.5g粒径为5μm的碳化硅颗粒加入到10ml所述壳聚糖溶胶中，搅拌均匀得混合溶液。将混合溶液涂敷到铅笔2一端的锥形基底1(锥形基底1由铅笔2一端切削形成，锥形基底1为长度L＝7cm、底端直径d＝7mm的圆锥形结构)上，浸泡在1mol/L的氢氧化钠溶液50s后取出，40～50℃下真空干燥0.5～2h，在锥形基底1表面形成厚度为1～10μm水伏涂层，制得如图1所示的液滴体量监测装置。
实施例4
本实施例提供一种液滴体量监测装置的制备方法，步骤如下：
a.先将壳聚糖和冰醋酸(密度1.05g/ml)加入到去离子水中，搅拌溶解得壳聚糖溶胶(壳聚糖溶胶中含1wt％壳聚糖、2.1wt％冰醋酸、其余为水)；
b.将3g粒径为1μm的碳化硅颗粒加入到10ml所述壳聚糖溶胶中，搅拌均匀得混合溶液。将混合溶液涂敷到铅笔2一端的锥形基底1(锥形基底1由铅笔2一端切削形成，锥形基底1为长度L＝7cm、底端直径d＝7mm的圆锥形结构)上，浸泡在1mol/L的氢氧化钠溶液30s后取出，40～50℃下真空干燥0.5～2h，在锥形基底1表面形成厚度为1～10μm水伏涂层，制得如图1所示的液滴体量监测装置。
实施例5
本实施例提供一种液滴体量监测装置的制备方法，步骤如下：
a.先将壳聚糖和冰醋酸(密度1.05g/ml)加入到去离子水中，搅拌溶解得壳聚糖溶胶(壳聚糖溶胶中含3wt％壳聚糖、2.1wt％冰醋酸、其余为水)；
b.将2.5g粒径为1μm的碳化硅颗粒加入到10ml所述壳聚糖溶胶中，搅拌均匀得混合溶液。将混合溶液涂敷到铅笔2一端的锥形基底1(锥形基底1由铅笔2端部切削形成，锥形基底1为长度L＝7cm、底端直径d＝7mm的圆锥形结构)上，浸泡在1mol/L的氢氧化钠溶液45s后取出，40～50℃下真空干燥0.5～2h，在锥形基底1表面形成厚度为1～10μm水伏涂层，制得如图1所示的液滴体量监测装置。
性能检测
图3是本发明制备的液滴体量监测装置表面的接触角照片，从图3可以看出：所制备的液滴体量监测装置表面为疏水性。
图4是5μl水在本发明制备的液滴体量监测装置的吸水性照片，从图4可以看出，由于水凝胶的吸水性，材料能实现从疏水到亲水的转变。
图5是5μl水在本发明制备的液滴体量监测装置的滑动照片，从图5可以看出，在润湿后，由于结构梯度的存在，液滴受到拉普拉斯压差能在表面快速滑动。
图6(a)～(c)是不同放大倍数的水伏材料SEM照片。从图6(a)可以看出所制备的涂层分布均匀，没有明显缺陷，保证了其理化性质的稳定；从图6(b)、6(c)可以看出，碳化硅颗粒为片层状，壳聚糖水凝胶以颗粒状吸附在表面，起到了将碳化硅颗粒粘结在一起的作用，且没有堵塞碳化硅颗粒组成的纳米孔道，解释了产生水伏效应的原因。
如图7所示，利用本发明制备的液滴体量监测装置的监测方法，包括以下步骤：
将针状液滴体量监测装置水平放置，将电化学工作站的参比电极和对电极均连通于均连通于铅笔的左端铅芯，将电化学工作站的工作电极连通于锥形基底底端周围涂覆的导电涂层上，将水伏涂层润湿，在20℃，相对湿度95％的条件下将液滴滴在锥形基底的尖头端，液滴会自发向尾部传输并使水伏电信号发生突变，测定不同体积液滴产生的电压变化值。
测定结果如图8所示。图8(a)是20μL液滴经过时的电信号变化；图8(b)是30μL液滴经过时的电信号变化；图8(c)是40μL液滴经过时的电信号变化；图8(d)是50μL液滴经过时的电信号变化。从图8可以看出，随着经过液滴体积的增大，电信号的变化也随之增大，经过函数拟合能够分析出电压变化与液滴大小的关系符合以下表达式：ΔE＝5.2×10-5V-3.2×10-4，即得到液滴体积-电压变化值函数关系式，
其中ΔE为电压变化值，单位为伏特，V为流过液滴体积，单位为μL。
通过以上液滴体积-电压变化值函数关系式，可以在水雾收集时通过表面水伏材料产生的电信号来监测液滴体量。
Claims (10)
1.一种液滴体量监测装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将壳聚糖、冰醋酸、水混合形成壳聚糖溶胶，将粒径1～5μm碳化硅颗粒加入壳聚糖溶胶中，搅拌均匀得到混合溶液；
b.将混合溶液涂敷于铅笔一端切削形成的锥形基底上，浸泡于氢氧化钠溶液后发生交联反应，取出后烘干在锥形基底表面形成厚度为1～10μm的水伏涂层，得到液滴体量监测装置。
2.如权利要求1所述的液滴体量监测装置的制备方法，其特征在于，步骤a中，壳聚糖溶胶中含1～3wt％壳聚糖、2～4.5wt％冰醋酸、其余为水。
3.如权利要求1所述的液滴体量监测装置的制备方法，其特征在于，步骤a中，每10mL壳聚糖溶胶对应加入1～3g碳化硅颗粒。
4.如权利要求1所述的液滴体量监测装置的制备方法，其特征在于，步骤b中，氢氧化钠溶液浓度为1～2mol/L，浸泡时间为30s～120s。
5.如权利要求1所述的液滴体量监测装置的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述锥形基底为铅笔一端同轴切削形成、长度7～9cm、底端直径7～8mm的圆锥形结构。
6.一种液滴体量监测装置，其特征在于，包括一端切削形成锥形基底(1)的铅笔(2)，以及涂敷于锥形基底(1)上厚度为1～10μm的水伏涂层，所述水伏涂层为将粒径1～5μm碳化硅颗粒与壳聚糖溶胶的混合溶液涂敷于锥形基底后、浸泡于氢氧化钠溶液发生交联反应后烘干得到。
7.如权利要求6所述的液滴体量监测装置，其特征在于，所述壳聚糖溶胶中含1～3wt％壳聚糖、2～4.5wt％冰醋酸、其余为水，每10mL壳聚糖溶胶对应加入1～3g碳化硅颗粒，氢氧化钠溶液浓度为1～2mol/L、浸泡时间为30s～120s。
8.如权利要求6所述的液滴体量监测装置，其特征在于，所述锥形基底(1)为铅笔一端同轴切削形成、长度7～9cm、底端直径7～8mm的圆锥形结构。
9.一种如权利要求6～8中任一液滴体量监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将液滴体量监测装置水平放置，将电化学工作站的参比电极和对电极均连通于锥形基底(1)的尖头端或均连通于锥形基底(1)所在铅笔(2)的另一端铅芯，将电化学工作站的工作电极连通于锥形基底(1)底端周围涂覆的导电涂层上，将水伏涂层润湿，在20℃，相对湿度95％的条件下将液滴滴在锥形基底(1)的尖头端，液滴会自发向尾部传输并使水伏电信号发生突变，测定不同体积液滴产生的电压变化值，拟合得到液滴体积-电压变化值函数关系式。
10.如权利要求9所述液滴体量监测装置的监测方法，其特征在于，还包括：利用液滴体积-电压变化值函数关系式，通过监测液滴经过水伏涂层产生的电压变化值来计算液滴体量。
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Citations (8)
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2023
- 2023-05-30 CN CN202310622257.XA patent/CN116833078B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116833078B (zh) | 2024-05-24 |
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