具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法技术

本发明专利技术提供一种具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法。本发明专利技术包括氧化锌纳米棒、氢氧化铜纳米线的制备、聚二甲基硅氧烷(PDMS)的接枝等步骤。具有规则凸起阵列的滑移表面材料不仅具有极好的耐候性，在其表面涂覆硅油后具有较好的锁油能力，在长时间放置后仍具有稳定的滑动能力。除此之外，此滑动表面上表现出独特的微滴定向泵送，液滴不再依附于额外的能量输入、液滴凝结或合并，实现了微小液滴的定向运输。对于超亲水锥形铜针，垂直插入在凸起中心，促进液滴在凸起顶部凝结及运输，改善了雾气收集的整体过程。因此，基于稳定高效的水雾收集能力和材料表面长期稳定的润湿性，这类水雾收集组合可以大规模推广。

【技术实现步骤摘要】
具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法
本专利技术属于材料
，特别涉及两类具有耐候性的有规则凸起阵列、滑移表面的材料及超亲水锥形铜针及其水雾收集装置的制备方法。
技术介绍
具有集水性能的材料近年来受到越来越多的关注，水雾收集过程可以分为三部分：水滴的捕捉、水滴的供应(凝结)以及水滴的运输收集。然而，现在许多研究集中在水雾收集的某一个过程。现有的润湿性表面大多只能单向运输液滴，执行单一功能，无法实现多向操纵液滴和同时执行多个任务。一些依赖于液滴聚结或凝结生长来提供液滴驱动力的方法严重降低了这些表面在实际应用中的效率。另外，由于表面清洁度决定了它们在液滴操纵方面的性能，这些材料几乎不能回收利用。因此，仍需要寻求具有多功能液滴操纵能力的新型功能性润湿性表面，用于集水等应用。控制滴降凝结对于集水系统是非常重要的。因此，设计能使液滴迅速增大并尽可能快地脱落的材料表面十分关键。然而，基于微尺度、纳米尺度或分子尺度结构的方法存在许多问题，这使得它很难同时优化液滴生长和运输。自然界中，昆虫和植物利用表面能量梯度或非对称几何生成驱动力，在不提供额外能量的情况的定向运输水。通常的集水系统无法输送直径在几百微米或更小的液滴。为了解决这个挑战，有两种可选的方法:要么提高驱动力或降低接触角滞后。相邻液滴的聚结可以用来产生这种增强的驱动力，因为表面积的减小释放了额外的做功能量，但由于其很大程度上不可控的特性以及对单个液滴的不适用性，使得其不能被广泛采用。或者，采用具有低接触角滞后的表面是一种优化方法。因此采用液体灌注表面，即固体材料表面引入一层液体，这将导致无缺陷的流体界面对水具有很好的滑动，可以改善以上问题。总之，如何设计一个优异的装置来提高水雾收集效率仍然是一个很大的挑战。通过模板压片，在锌片上压出规则凸起，然后利用化学刻蚀法成功在锌片表面制备出氧化锌纳米棒。具有规则凸起的锌片从原始的疏水表面转变成超亲水表面。通过紫外光照射，将聚二甲基硅氧烷接枝到ZnO纳米棒上，从而使其变成超疏水表面。将粘度为10cst的硅油在1000-2000rpm转速下旋涂在超疏水表面。氧化锌与接枝的聚二甲基硅氧烷之间具有较强的作用力，使得具有规则凸起锌片表面的疏水性特别稳定。除了表面微纳结构对油层产生的毛细力，硅油与表面接枝的PDMS还具有分子间作用力，因此，表面的油层可以稳定存在。在不同的角度下(0°、30°、45°、60°、90°)进行水雾收集，60°角度下具有规则凸起、滑移表面收水效率最高。对比原始的平面锌片及原始具有规则凸起的锌片，水雾收集质量提升了大约242％和181％。与制备的单独的具有亲水锥形铜针和具有规则凸起、滑移表面材料相比较，将具有规则凸起阵列、滑移表面的材料与超亲水锥形铜针组装用于水雾收集，收集率大约为2.087g*h-1*cm-1。另外，在室温下放置很久后，制备的样品表面润湿性并未发生明显的变化。因此，基于稳定高效的水雾收集能力和材料表面长期稳定的润湿性，这种将具有规则凸起阵列、滑移表面的材料与超亲水锥形铜针组装在一起(锥形铜针垂直于插入到凸起中心)的水雾收集组合可以大规模推广。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种简单、方便、可工业化生产的集合具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底与超亲水铜针组装在一起的水雾收集组合，不仅利用了材料的圆锥形貌促进液滴的移动，还结合表面化学进一步改善水收集过程中的捕捉、凝结与运输过程。解决了集水材料制备步骤繁杂、制备材料含氟等有毒物质、实用性低的问题。原始的锌片水雾收集能力较差，通过利用滑移表面的低接触角滞后以及规则凸起的聚集效应，微小液滴可以迅速凝结成大液滴并向凸起部位泵输，再进一步结合超亲水锥形铜针加速液滴的吸收及移除，能量消耗大大降低。本专利技术通过简单的方法制备并设计了一种组合：具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底，超亲水锥形铜针垂直插入基底上的凸起中心，这种组合进一步提升了水收集效率，具有稳定的润湿性能、高效持久的水雾收集能力、可重复利用性，其有利于大规模推广和制备。实现本专利技术目的的技术方案是：具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法，其特征在于，包括如下步骤：A.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm2的片；选用4*6小钢珠排布的模板，小钢珠直径为1.2mm，钢珠之间的距离为0.5cm，在12-14MPa的压力下在锌片上压出规则凸起，凸起顶部出现规则的孔；为了除去锌片表面的污染物，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗3-5min，然后在氮气流下干燥；B.化学刻蚀法制备具有ZnO纳米棒的表面：将步骤A获得的模板压过的具有规则凸起的锌片放入体积分数为2％-5％的甲酰胺水溶液中，在63-68℃下保持20-24h，反应结束后，取出用乙醇清洗，放入真空干燥箱中干燥10-20min；C.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片的制备：将PDMS刷涂到步骤B获得的基底上，用紫外光照射40-50min，形成了超疏水表面；将粘度为10cst的硅油在1000-2000rpm转速下旋涂在超疏水表面；D.化学刻蚀法制备具有氢氧化铜表面的锥形铜针：首先，选取长度为1cm的铜针，为了除去铜针表面的污染物，用乙醇、去离子水分别超声清洗5-10min，然后用0.1M盐酸溶液去除氧化层；然后，将处理过的铜针放入1M氢氧化钠与0.05M过硫酸铵混合水溶液中刻蚀40-60min，用去离子水清洗过后放在真空干燥箱中干燥5-10min；E.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底与超亲水铜针组装在一起的水雾收集组合：取一块2*3cm2的具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底，将长度为1cm的超亲水锥形铜针垂直插入到每个凸起中心，锥形铜针与地面保持水平，此组合与出雾口距离保持在4-6cm，水雾收集实验一次周期测量持续时间为30min，用于水收集实验的加湿器的流量和速度分别约为0.0556gs-1和25cms-1，在实验中，样品周围的温度和相对湿度分别为25℃和65％。进一步的，步骤A中，模板压片时，模板与锌片必须对齐，施加在表面的力必须均匀。进一步的，步骤B中，将模板压过的具有规则凸起的锌片放入甲酰胺水溶液中时，锌片需要垂直贴壁放置，凸起侧面向烧杯。进一步的，步骤C中，在紫外光照射下，聚二甲基硅氧烷接枝到ZnO纳米棒上，以共价键方式结合。进一步的，步骤D中，铜针在1M氢氧化钠与0.05M过硫酸铵碱溶液中刻蚀，溶液必须混合均匀。进一步的，步骤E中，铜针表面具有超亲水润湿性及结构梯度，与表面具有规则凸起阵列滑移性的锌片组合用于水雾收集，液滴在毛细管作用力及拉普拉斯力下定向泵送。本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1.工艺简单，原料易得，成本低廉,无毒无害；2.具有规则无孔凸起、滑移表面的锌片基底具有良好的水收集能力，在不同倾斜角度下均有高效的水雾收集率，倾斜角为60°时收水效率最高，每小时约11.76g，对比原始的锌片，水雾收集率提升了大约242％；3.将具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法，其特征在于，包括如下步骤：/nA.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm

【技术特征摘要】
1.具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.利用模板在锌片上制备规则凸起：首先，将锌片剪成2*3cm2的片；选用4*6小钢珠排布的模板，小钢珠直径为1.2mm，钢珠之间的距离为0.5cm，在12-14MPa的压力下在锌片上压出规则凸起，凸起顶部出现规则的孔；为了除去锌片表面的污染物，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗3-5min，然后在氮气流下干燥；
B.化学刻蚀法制备具有ZnO纳米棒的表面：将步骤A获得的模板压过的具有规则凸起的锌片放入体积分数为2％-5％的甲酰胺水溶液中，在63-68℃下保持20-24h，反应结束后，取出用乙醇清洗，放入真空干燥箱中干燥10-20min；
C.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片的制备：将PDMS刷涂到步骤B获得的基底上，用紫外光照射40-50min，形成了超疏水表面；将粘度为10cst的硅油在1000-2000rpm转速下旋涂在超疏水表面；
D.化学刻蚀法制备具有氢氧化铜表面的锥形铜针：首先，选取长度为1cm的铜针，为了除去铜针表面的污染物，用乙醇、去离子水分别超声清洗5-10min，然后用0.1M盐酸溶液去除氧化层；然后，将处理过的铜针放入1M氢氧化钠与0.05M过硫酸铵混合水溶液中刻蚀40-60min，用去离子水清洗过后放在真空干燥箱中干燥5-10min；
E.具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为基底与超亲水铜针组装在一起的水雾收集组合：取一块2*3cm2的具有规则凸起阵列、滑移表面的锌片作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志光，周慧，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42