CN1880531A

CN1880531A - 一种仿生集水复合编织布及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN1880531A
Application number: CN200510011944.XA
Authority: CN
Inventors: 黄忠兵; 江雷
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-12-20

Abstract

本发明涉及一种仿生集水复合编织布，其为由亲水和疏水两种聚合物纤维编织而成的编织布，其纬线由疏水聚合物纤维和亲水聚合物纤维以2束∶1束的比例交替形成，经线为疏水聚合物纤维；所述的疏水聚合物纤维为截面为半圆形的、表面光滑平整的纤维；所述的亲水聚合物纤维为截面为半圆形的、表面具有很多细小突起的纤维。所述的疏水聚合物纤维或亲水聚合物纤维中还可以包括选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂中一种或多种。该编织布可用于收集雾水滴或驱散浓雾。其集水效率高、使用年限长，具有良好的疏水/亲水性质；提供了不同湿度下的集水量、耐久性和经济性。其收集淡水的成本远低于海水淡化的成本。

Description

一种仿生集水复合编织布及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种仿生集水复合编织布，及其制备方法和用途。

背景技术

浓雾是一种气象灾害，它不仅给人们出行带来不便，有时甚至会造成生命和财产损失，因此，国外一直在开展低成本人工消雾的研究。另一方面，随着全球气候变暖和人口的迅猛增加，缺水的问题变得越来越突出。例如在我国，由于地理和气候的多样性使得我国很多地区都长期处于缺水状态，这极大地制约了当地的经济发展，特别是西部地区的发展。最近，一门新的技术体系——“雾水工程”正在世界一些国家和地区里悄然兴起。“捕雾取水”的方法一方面可以减小和消除浓雾所带来的危害，另一方面可以收集湿空气中的微小水滴而得到可使用的淡水，因而成为许多国家和地区，特别是干旱的山区、沙漠地区及海岛、海轮等解决淡水不足的重要途径。

现有的“捕雾取水”的方法是采用散热快的金属，如铝，制成表面光洁的圆筒，竖立于多雾的空气中，在其表面附着的雾很快便凝聚成水，不断地往下流淌，源源不断地生成淡水。在沙漠地区和一般性陆地，晚上湿度大；而在海岛及海洋中(如舰船上)，白天和晚上的湿度都很大。在这类地区，均可因地制宜利用这一原理从雾中取水。

在地处阿塔卡马沙漠的智利圣地亚哥以北的琼贡果村，白天气温很高，雨水稀少，年降水量仅有400毫米，生产和生活用水十分紧张。但此处是一多雾区，且湿度很大。人们采用英国专利(UK Patent Application No.0109814.4)公开的方法，在山腰装置了巨大的雾水转换装置——网眼极细的塑料纤维巨网，每夜可捕雾取水1万多升，从而解决了当地缺水居民的用水困难。

而在我国庐山的多雾山区，人们采用在松树下放置木桶等简单方法收集由松针表面聚集的水滴。

美国专利4,536,420中公开了一种由胶体丙烯酸类树脂和胶体二氧化硅的混合物制得的水湿性涂层，该涂层表面具有开裂的疏水沟槽，且亲水区域面积小于疏水区域，雾水滴可以先在亲水区域形成水铺展层，积累后就会再次形成水滴，并汇聚成大液滴，在疏水沟槽中流动，收集得到可使用的淡水。

但是，上述这些方法集水效率都不是很高，而且成本也很高，无法满足广大缺水地区对水的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有技术的集水效率不高，无法满足广大缺水地区对水的需要，且成本高、不环保的缺陷，从而提供了一种具有亲水区域和疏水区域的薄膜结构、可以高效地收集空气中微小水滴而使之成为可用淡水、并可以除雾的仿生集水复合编织布。

本发明的另一目的在于提供上述仿生集水复合编织布的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述仿生集水复合编织布在收集雾水滴或驱散浓雾中的用途。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的仿生集水复合编织布，是从沙漠拟步甲昆虫的甲壳收集雾水和蜘蛛网能挂露水珠的现象中得到的启发，如图1所示，该复合编织布的表面具有亲水区域和疏水区域的复合结构，其为由亲水和疏水两种聚合物纤维编织而成的编织布，其纬线由疏水聚合物纤维和亲水聚合物纤维以2束∶1束的比例交替形成，经线为疏水聚合物纤维；

所述的疏水聚合物纤维为截面为半圆形的、表面光滑平整的纤维，其直径为2～3mm；

所述的亲水聚合物纤维为截面为半圆形的、表面具有很多细小突起的纤维，其直径为1～2mm

所述的疏水聚合物为掺杂二氧化硅的聚氨酯树脂或聚丙烯树脂；所述的二氧化硅的平均粒径为1～100nm，优选5～50nm；掺杂量为20～50wt％，优选30～40wt％。

所述的亲水聚合物是掺杂二氧化钛的含有酰胺基、羟基或羧基的聚合物，包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、尼龙4或尼龙6，优选含丙烯酸或甲基丙烯酸的共聚物；所述的二氧化钛的平均粒径为2～100μm，优选5～50μm；掺杂量为20～50wt％，优选30～40wt％。

本发明提供的仿生集水复合编织布中，所述的疏水聚合物纤维或亲水聚合物纤维中还可以包括选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂中一种或多种。

所述的紫外线稳定剂为双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯(商品名为光稳定剂770)，加入量为所述聚合物的1wt％；

所述的紫外线吸收剂为2-氰基-3，3-二苯基丙烯酸2-乙基己酯，加入量小于所述聚合物的0.5wt％；

所述的臭氧稳定剂为苯酚三嗪，加入量为小于所述聚合物的0.3wt％；

所述的抗氧化剂为2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚(商品名Ultranox^TM 226)，加入量为所述聚合物的0.5～1wt％。

本发明提供一种制备上述仿生集水复合编织布的方法，该方法主要有两步：首先采用熔融纺丝法制备半圆形截面的亲水或疏水的聚合物纤维，然后用普通的编织技术得到复合编织布，具体过程包括如下的步骤：

1)亲水/疏水聚合物纤维的制备：

将亲水聚合物与二氧化钛颗粒混合均匀，然后加入纺丝机中熔融纺出截面直径为1～2mm的半圆形的、表面具有很多二氧化钛颗粒的细小突起的亲水聚合物纤维；所述的亲水聚合物是含有酰胺基、羟基或羧基的聚合物，包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、尼龙4或尼龙6，优选含丙烯酸或甲基丙烯酸的共聚物；所述的二氧化钛的平均粒径为2～100μm，优选5～50μm；掺杂量为20～50wt％，优选30～40wt％；

将疏水聚合物与二氧化硅颗粒混合均匀，然后加入纺丝机中熔融纺出截面直径为2～3mm的半圆形、表面光滑平整的疏水聚合物纤维；所述的疏水聚合物为聚氨酯树脂或聚丙烯树脂；所述的二氧化硅的平均粒径为1～100nm，优选5～50nm；掺杂量为20～50wt％，优选30～40wt％；

2)制备复合编织布：

在编制机上，将步骤1)中的制得的两种聚合物纤维如图1所示进行编织，其纬线由疏水聚合物纤维和亲水聚合物纤维以2束∶1束的比例交替形成，经线全部由疏水纤维组成，间隔1～6mm；编织成2米宽且具有孔径为1～2mm²微孔的布，并卷取，得到本发明的仿生集水复合编织布。

本发明提供的上述仿生集水复合编织布的制备方法，还包括在亲水或疏水聚合物中加入选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂中一种或多种，然后再熔融纺丝。

所述的紫外线稳定剂为双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯(商品名为光稳定剂770)，加入量为所述聚合物的1wt％

本发明提供的上述仿生集水复合编织布可用于收集雾水滴或驱散浓雾。其具有高效集水或驱雾的功能，能够增大空气中的水滴在复合编织布表面的聚集，同时减少空气中的水分，从而提高空气的能见度。在适合的空气温度和湿度下，空气中的湿气被该复合编织布表面的亲水区域所吸引而迅速铺展开，随着水气的大量铺展聚集而在疏水表面形成比较大的水滴。当编织布倾斜或垂直安装时，这些大水滴滚动薄膜板的集水槽中而汇集为可使用的淡水。

本发明提供一种使用上述仿生集水复合编织布来收集雾水滴或驱散浓雾的装置，如图2所示，包括：2根由小电机驱动的升降杆1，其间由四根水平的流水槽6相连，流水槽的一端连接于引水管2，引水管2接入下面的盛水桶3中；流水槽6之间间距为1米，其间垂直安装本发明提供的仿生集水复合编织布7(裁成1×2m²的布块)；升降杆1由固定绳4和固定桩5固定。

所述的流水槽为塑料或金属制作的槽。

所述的引水管为塑料制作的管子。

所述的升降杆的高度为7～10米，间距为10～15米。

当大雾出现时，升降杆通过电动升起，同时带动流水槽、仿生集水复合编织布和引水管随之自动伸出；仿生集水复合编织布收集到的淡水流入到流水槽中，并经引水管进入盛水桶中；当大雾驱散后，电动降下升降杆，流水槽、仿生集水复合编织布和引水管随之落下而进入存放箱中，以避免材料老化。

使用上述仿生集水复合编织布来收集雾水滴或驱散浓雾的装置(简称集水安装架)可以一字形安装在海岛(海岸)、高山等迎风缓坡处以及多雾区建筑物的外墙壁上以收集淡水，也可以两排或数排安放，以解决我国许多多雾而缺水地区的用水问题，有利于这些地区的生态保护和改善当地居民生活水平。在浓雾多发地区，也可将其安装在高速公路两边的隔离带处或飞机场四周的空地处，并适当提高升降杆的长度，可以起到驱散浓雾和提高空气能见度的作用，从而大大减少浓雾带来的经济损失。

本发明提供的仿生集水复合编织布，是从沙漠拟步甲昆虫的甲壳收集雾水和蜘蛛网能挂露水珠的现象中得到的启发，如图1所示，该复合编织布的表面具有亲水区域和疏水区域的复合结构，且亲水区域的面积小于疏水区域的面积，疏松的经线之间具有孔径为1～2mm²的微孔，与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、亲水区域通过规则的突起增加了亲水面积，尤其是使用无机氧化物颗粒掺杂的亲水聚合物所形成的突起，其表面又具有更微观的突起或微孔，更增加了亲水区域的面积，增大了空气水滴的碰撞几率和铺展速度，使得集水的效率得以提高。

2、本发明所使用的亲水聚合物具有良好的户外稳定性；

3、本发明所使用的无机氧化物颗粒具有低成本、亲水性优良，与聚合物的相容性良好的特性；

4、通过添加紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂等，使得本发明提供的仿生集水复合编织布不易降解，更为耐用，可延长使用年限；

5、该仿生集水复合编织布本身具有良好的疏水/亲水性质，在室温对3μm的水滴测量，其亲水区域的静态接触角(static contact angle)小于30°，甚至可以小至10°，而疏水区域的静态接触角超过80°，甚至可以超过110°；

6、本发明的仿生集水复合编织布提供了不同湿度下的集水量、耐久性和经济性。因此宜用于在滨海沙漠、海岛、远洋船只和多雾山区等，收集空气中的水滴成为可使用的淡水，以及机场、高速公路、灯塔等周围的浓雾驱散和消除。其收集淡水的成本远低于海水淡化的成本。

附图说明

图1是本发明提供的仿生集水复合编织布的示意图；其中：A为主视图，B为左视图，C为仰视图；8.亲水纬线，9.疏水纬线，10.疏水经线；

图2是使用本发明的仿生集水复合编织布来收集雾水滴或驱散浓雾的装置的示意图；其中，1.升降杆，高度为7米，两杆间距为10米；2.引水管，3.盛水桶，4.固定绳，5.固定桩，6.流水槽，7.本发明提供的仿生集水复合编织布。

具体实施方式

在以下实施例中进一步说明本发明的优点和其它细节，但实施例中引用的具体材料和用量以及其它条件和细节不应该认为是对本发明进行了不恰当的限制。除非另外说明，实施例中的所有温度均以摄氏度计，所有份数和百分数均以重量计。

对所得薄膜材料进行静态水接触角实验，使用水滴2μL，在德国产dataphisicsOCA-20视频接触角测量仪上进行。

实施例1

1)亲水/疏水聚合物纤维的制备：

将80重量份尼龙4与20重量份平均粒径为100μm的二氧化钛颗粒(市售)混合均匀，然后加入普通纺丝机中熔融纺出直径为1mm的半圆形截面的纤维，这种纤维的表面形成很多二氧化钛颗粒的细小突起。

将80重量份聚丙烯树脂(市售)与20重量份平均粒径为100nm二氧化硅颗粒(市售)混合均匀，然后加入纺丝机中熔融纺出直径为2mm的半圆形截面的纤维，这种纤维的表面光滑、平整。

2)制备复合编织布：

在编制机上，将步骤1)中的制得的两种聚合物纤维如图1所示进行编织，其纬线由两束疏水聚合物纤维和一束亲水聚合物纤维交替形成，经线全部由疏水纤维组成，间隔1mm；编织成2米宽且具有1mm²孔径微孔的布，并卷取，得到本发明的仿生集水复合编织布，其疏水纤维的表面积大于亲水纤维。集水使用时将这种编织布裁成1×2m²的布块。

对该薄膜材料进行静态水接触角实验，在室温对3μm的水滴测量，其亲水区域的静态接触角小于15°，而疏水区域的静态接触角大于110°。

实施例2

1)亲水/疏水聚合物纤维的制备：

将70重量份聚乙烯吡咯烷酮与30重量份平均粒径为50μm的二氧化钛颗粒(市售)混合均匀，然后加入普通纺丝机中熔融纺出直径为2mm的半圆形截面的纤维，这种纤维的表面形成很多二氧化钛颗粒的细小突起。

将80重量份聚丙烯树脂与20重量份平均粒径为50nm二氧化硅颗粒(市售)混合均匀，然后加入纺丝机中熔融纺出直径为3mm的半圆形截面的纤维，这种纤维的表面光滑、平整。

2)制备复合编织布：

在编制机上，将步骤1)中的制得的两种聚合物纤维如图1所示进行编织，其纬线由四束疏水聚合物纤维和两束亲水聚合物纤维交替形成，经线全部由疏水纤维组成，间隔6mm；编织成2米宽且具有孔径为2mm²微孔的布，并卷取，得到本发明的仿生集水复合编织布，其疏水纤维的表面积大于亲水纤维。集水使用时将这种编织布裁成1×2m²的布块。

实施例3

1)亲水/疏水聚合物纤维的制备：

将90重量份聚甲基丙烯酸甲酯(市售)与10重量份平均粒径为5μm的二氧化钛颗粒(市售)混合均匀，然后加入普通纺丝机中熔融纺出直径为1.5mm的半圆形截面的纤维，这种纤维的表面形成很多二氧化钛颗粒的细小突起。

将90重量份聚氨酯树脂(市售)与10重量份平均粒径为5nm二氧化硅颗粒(市售)混合均匀，然后加入纺丝机中熔融纺出直径为2.5mm的半圆形截面的纤维，这种纤维的表面光滑、平整。

2)制备复合编织布：

在编制机上，将步骤1)中的制得的两种聚合物纤维如图1所示进行编织，其纬线由两束疏水聚合物纤维和一束亲水聚合物纤维交替形成，经线全部由疏水纤维组成，间隔3mm编织成2米宽且具有孔径为2mm²微孔的布，并卷取，得到本发明的仿生集水复合编织布，其疏水纤维的表面积大于亲水纤维。集水使用时将这种编织布裁成1×2m²的布块。

实施例4

1)亲水/疏水聚合物纤维的制备：

将80重量份尼龙6、20重量份平均粒径为2μm的二氧化钛颗粒(市售)和5重量份紫外线稳定剂双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯(商品名为光稳定剂770)，混合均匀，然后加入普通纺丝机中熔融纺出直径为1mm的半圆形截面的纤维，这种纤维的表面形成很多二氧化钛颗粒的细小突起。

将80重量份聚丙烯树脂与20重量份平均粒径为1nm二氧化硅颗粒(市售)混合均匀，然后加入纺丝机中熔融纺出直径为2mm的半圆形截面的纤维，这种纤维的表面光滑、平整。

2)制备复合编织布：

在编制机上，将步骤1)中的制得的两种聚合物纤维如图1所示进行编织，其纬线由两束疏水聚合物纤维和一束亲水聚合物纤维交替形成，经线全部由疏水纤维组成，间隔4mm；编织成2米宽且具有1mm²孔径微孔的布，并卷取，得到本发明的仿生集水复合编织布，其疏水纤维的表面积大于亲水纤维。集水使用时将这种编织布裁成1×2m²的布块。

实施例5

1)亲水/疏水聚合物纤维的制备：

将95重量份聚乙烯醇(市售)、5重量份平均粒径为40μm的二氧化钛颗粒(市售)、3重量份紫外线吸收剂2-氰基-3，3-二苯基丙烯酸2-乙基己酯、和6.5重量份抗氧化剂为2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚(商品名Ultranox^TM 226)混合均匀，然后加入普通纺丝机中熔融纺出直径为2mm的半圆形截面的纤维，这种纤维的表面形成很多二氧化钛颗粒的细小突起。

将85重量份聚氨酯树脂(市售)、15重量份平均粒径为40nm二氧化硅颗粒(市售)、和1重量份臭氧稳定剂苯酚三嗪混合均匀，然后加入纺丝机中熔融纺出直径为3mm的半圆形截面的纤维，这种纤维的表面光滑、平整。

2)制备复合编织布：

在编制机上，将步骤1)中的制得的两种聚合物纤维如图1所示进行编织，其纬线由两束疏水聚合物纤维和一束亲水聚合物纤维交替形成，经线全部由疏水纤维组成，间隔1mm；编织成2米宽且具有孔径为1mm²微孔的布，并卷取，得到本发明的仿生集水复合编织布，其疏水纤维的表面积大于亲水纤维。集水使用时将这种编织布裁成1×2m²的布块。

可以在本发明提供的上述仿生集水复合编织布的亲水或疏水聚合物中加入选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂中一种或多种，然后再熔融纺丝。

实施例6

本发明提供的使用实施例1制备的仿生集水复合编织布来收集雾水滴或驱散浓雾的装置，如图2所示，包括：2根由小电机驱动的升降杆1，升降杆的高度为10米，间距为12米。两杆之间安装了四根水平的塑料流水槽6，其宽度为15cm，流水槽的间距为1米。流水槽的一端连接于塑料引水管2，其内径为Φ20mm。引水管2接入下面的Φ100×80m³盛水桶3中；流水槽6之间垂直安装实施例1制备的仿生集水复合编织布7；升降杆1由固定绳4和固定桩5固定。升降杆通过功率为100瓦的电动机驱动升降，同时带动流水槽、集水板和引水管随之升降。

当大雾出现时，升降杆通过电动升起，同时带动流水槽、仿生集水复合薄膜和引水管随之自动伸出；仿生集水复合薄膜收集到的淡水流入到流水槽中，并经引水管进入盛水桶中；当大雾驱散后，电动降下升降杆，流水槽、仿生集水复合编织布和引水管随之落下而进入存放箱中，以避免材料老化。

使用本装置，在15℃、相对湿度90％的条件下，一个面积为0.5m²的集水复合编织布在一昼夜能集水40～50升淡水，具有比较高的集水效率。

Claims

1、一种仿生集水复合编织布，其为由亲水和疏水两种聚合物纤维编织而成的编织布，其纬线由疏水聚合物纤维和亲水聚合物纤维以2束∶1束的比例交替形成，经线为疏水聚合物纤维；所述的疏水聚合物纤维为截面为半圆形的、表面光滑平整的纤维，其直径为2～3mm；所述的亲水聚合物纤维为截面为半圆形的、表面具有很多细小突起的纤维，其直径为1～2mm。

2、如权利要求1所述的仿生集水复合编织布，其特征在于：所述的疏水聚合物为掺杂了20～50wt％、平均粒径为1～100nm的二氧化硅的聚氨酯树脂或聚丙烯树脂。

3、如权利要求1所述的仿生集水复合编织布，其特征在于：所述的亲水聚合物是掺杂了20～50wt％、平均粒径为2～100μm的二氧化钛的含有酰胺基、羟基或羧基的聚合物。

4、如权利要求1或3所述的仿生集水复合编织布，其特征在于：所述的亲水聚合物为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、尼龙4、尼龙6，或含丙烯酸或甲基丙烯酸的共聚物。

5、如权利要求1所述的仿生集水复合编织布，其特征在于：所述的疏水聚合物纤维或亲水聚合物纤维中还包括选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂中一种或多种。

6、一种制备权利要求1所述的仿生集水复合编织布的方法，包括如下的步骤：

1)亲水/疏水聚合物纤维的制备：

将亲水聚合物与二氧化钛颗粒混合均匀，然后加入纺丝机中熔融纺出截面直径为1～2mm的半圆形的、表面具有很多二氧化钛颗粒的细小突起的亲水聚合物纤维；所述的亲水聚合物是含有酰胺基、羟基或羧基的聚合物，所述的二氧化钛的平均粒径为2～100μm，掺杂量为20～50wt％；

将疏水聚合物与二氧化硅颗粒混合均匀，然后加入纺丝机中熔融纺出截面直径为2～3mm的半圆形、表面光滑平整的疏水聚合物纤维；所述的疏水聚合物为聚氨酯树脂或聚丙烯树脂；所述的二氧化硅的平均粒径为1～100nm，掺杂量为20～50wt％；

2)制备复合编织布：

在编制机上，将步骤1)中的制得的两种聚合物纤维如图1所示进行编织，其纬线由疏水聚合物纤维和亲水聚合物纤维以2束∶1束的比例交替形成，经线全部由疏水纤维组成，间隔1～6mm；编织成2米宽且具有1～2mm²孔径微孔的布，并卷取，得到本发明的仿生集水复合编织布。

7、如权利要求6所述的制备方法，还包括在亲水或疏水聚合物中加入选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂中一种或多种，然后再熔融纺丝。

8、权利要求1所述的仿生集水复合编织布在收集雾水滴或驱散浓雾中的用途。

9、一种使用权利要求1所述的仿生集水复合编织布来收集雾水滴或驱散浓雾的装置，包括：2根由小电机驱动的升降杆(1)，其间由四根水平的流水槽(6)相连，流水槽的一端连接于引水管(2)，引水管(2)接入下面的盛水桶(3)中；流水槽(6)之间间距为1米，其间垂直安装本发明提供的仿生集水复合编织布(7)；升降杆(1)由固定绳(4)和固定桩(5)固定。

10、如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述的流水槽为塑料或金属制作的槽；所述的引水管为塑料制作的管子。