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一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面及制备方法技术

技术编号:19465190 阅读:23 留言:0更新日期:2018-11-17 03:48
一种具有超疏‑超亲水结构的自驱动集水表面及制备方法,属于水收集与超疏水表面技术领域。所述集水表面是在超疏水表面上分布有超亲水区域,超亲水区域为树叶叶脉状通道网络结构,该结构由不同级次的通道彼此联结而成。本发明专利技术采用了叶脉收集养分的原理设计出了叶脉状超亲水通道网络,可实现自驱动高集中度高效集水;所采用的工艺具有工艺简单,加工高效可控、微米结构参数精密可调,可进行大面积制备超亲水超疏水复杂图案等优势。本发明专利技术的集水方案不仅可以使集水设备真正大型化,在现有的基础上大大提高了集水效率,还可以应用到蒸馏、提盐、换热等多个领域,尤其是在需要精确控制冷凝水的水量和流动方向时,更是可以发挥出意想不到的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面及制备方法
本专利技术涉及一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面及其制备方法,尤其涉及一种基于叶脉网状骨架结构和超疏水-超亲水功能的自驱动集水表面及其脉冲激光制备方法,属于水收集与超疏水表面

技术介绍
水是人类赖以生存的重要资源,地球上的水资源总量虽然很大,但可供人类利用的淡水资源却很少。水资源的不均匀分布使得有些地方对淡水资源的获取变得十分困难。在一些干旱的山区、沙漠地区,降雨量十分微少,地表水资源匮乏,人们往往缺乏有效途径来获取淡水资源。而在一些海岛和沿海地区,地表虽然水资源丰富,但是由于地表水多为咸水,并不能为人们直接利用。尽管上述地区降雨量稀少,但是空气中却存在着大量的水资源。例如,沙漠地区夜晚的湿度要大得多,而海岛和沿海地区则白天和夜晚的湿度都很大,如果可以从空气中获取水分将可以大大缓解这些地区的水资源匮乏问题。如果能设计一种高效集水方案,将可能对缓解全球水资源危机产生重大意义。对于沙漠中生存的生物,水是最珍惜的资源,谁能得到水,谁就能适应沙漠的生存法则。甲壳虫和仙人掌等生物在严酷的生存竞争中进化出了优异的集水本领,甲壳虫可以其背部疏水、亲水相间的区域分布结构来收集水分,而仙人掌则可以利用其针状叶的独特结构来收集水分。受这两种生物集水结构的特性启发,人们开发了一些人造集水设施,如CN1872533A、CN104196085A、CN105755519A、CN107502875A、CN107700591A、CN206706898U和CN207003543U等专利采用类似于甲壳虫亲疏水区域表面做成了集水器,如CN205536966U、CN205475439U、CN102797279和CN104775476A等专利则采用了类似仙人掌刺的结构做成了集水器。但是,甲壳虫和仙人掌式的集水方案仅能收集十分有限的水量供其生存所用,将这两种策略照搬过来用于人造集水器却往往难以满足人类所需的水量。在运用甲壳虫结构收集水分时,收集到的水呈滴状,液滴会紧紧地粘附在其表面的亲水区域上,难以对这些液滴做进一步的收集;当有较大量的液滴存在于这些表面上时,会损害表面进一步集水的能力,同时会增加液滴的蒸发损失,这些都会从本质上限制这种结构的集水效率,也难以将这种结构应用到大型装置上。对于仙人掌式集水方案,其核心集水部分为针状物,针状物的表面积相对于平板结构来说很小,因而其工作表面也很小,也从本质上限制了其集水能力。此外,这种针状结构一旦将尺寸放大,其自驱动运输功能就会丧失,这也限制了这种结构无法应用到较大的装置中。因此,要有效地从空气中收集大量的水分,需要一个全新的思路来解决上述两种方案中所面临的困难。如上所述,甲壳虫背部亲疏水区域相间分布的特殊表面结构,不但能用于集水,当亲疏水区域相间分布结构变成超亲水与超疏水相间分布结构时,还能用于诸如换热、冷凝、蒸馏、模具、制盐等许多领域,其应用前景广泛、潜力很大。但目前能够实现超亲水、超疏水图案化表面制备的技术却十分有限,现有的制备超亲水与超疏水表面的方法主要有光刻、涂覆、等离子体处理、电液束处理、紫外光照射等方法,其中光刻、等离子束照射方法效率极低,设备昂贵,加工成本高,很难实现大规模生产;涂覆法、电液束处理、紫外光照射等方法加工精度低,很难实现高分辨率复杂超亲水、超疏水图案的加工。专利CN107937915A提出了一种利用激光直写技术在超疏水薄膜表面制备各种形状图案的方法,该方法先在基底上沉积一层Ti薄膜,然后修饰一层氟硅烷,得到超疏水薄膜,然后用激光直写技术在疏水薄膜上制备图案,得到具有润湿性差异的表面。但是由于其原理是利用激光的高温使得图案部分的超疏水多孔表面融化,使其失去了原有的粗糙度,因而降低了图案部分的疏水性。这种降低粗糙度的方法只能使其润湿角变小,无法使该区域呈现出超亲水特性。所以这种方法虽然可以制备出润湿性差异化的表面,却无法制备出超亲水、超疏水多重结构表面。类似地,Zhang等在文献(ASimpleWayToAchievePattern-DependentTunableAdhesioningSuperhydrophobicSurfacesbyaFemtosecondLaser,ACSAppliedMaterials&Interfaces,2012,9,4905-4912)中利用飞秒激光在硅表面不同部位区加工出不同的结构来控制表面对水滴的粘附度,所得的二元微纳米结构表面是由周期性的疏水与超疏水图案组成。这两种方法都是利用降低部分区域的粗糙度来改变该区域的润湿性,但变化程度有限,都不能制备出具有极端润湿性差异的超亲水与超疏水表面。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面及其制备方法,旨在提供一种结构稳定、具备自驱动高集中度集水功能并且能够连续工作的超疏-超亲水复合分布表面,解决集水材料在集水过程中水滴过于分散、难以收集和难以运输的问题;同时提供一种简单、高效、快速制备该表面即超疏-超亲水结构的自驱动集水表面的制备方法,该方法运用脉冲激光在金属表面烧蚀制备出微米-纳米复合结构,然后对其进行低表面能物质修饰,使其表面呈现超疏水特性,然后利用脉冲激光对其表面进行第二次处理,在其超疏水表面中烧蚀出叶脉状超亲水通道网络,使其具备自驱动高集中度集水功能,在集水、换热和制盐等领域具都有广阔的应用前景。本专利技术的技术方案如下:一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面,其特征在于:所述集水表面是在超疏水表面上分布有超亲水区域,超亲水区域为树叶叶脉状通道网络结构,该树叶叶脉状通道网络结构由不同级次的通道彼此联结而成;第一级通道位于树叶的中央位置,下一级通道分别从其上一级通道的两侧延展而出;不同级次的通道宽度不同,级次越高宽度越小。进一步地,所述不同级次的通道分为两种,一种为负责定向运输所收集水分的主通道,另一种为负责收集水分并将所收集水分传递到主通道的次通道。进一步地,所述不同级次的通道分为两种,一种为负责定向运输所收集水分的主通道,另一种为负责收集水分并将所收集水分传递到主通道的次通道。进一步地,所述主通道为不对称楔形结构,锥度为2-30°,长度为0.5-20cm。进一步地,所述次级通道为等宽通道,分布在主通道的周围,彼此交织成密集网络,次级通道宽度为30-300微米,次级通道之间的间距为0.05mm-10mm。进一步地,所述不同级次的通道的总级数为二级至五级。本专利技术提供的一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面的制备方法,其特征在于该方法包括如下步骤:1)利用脉冲激光在材料表面烧蚀出周期分布的峰-坑微米结构,微米峰和微米凹坑交替密集分布,峰-坑微米结构上分布有纳米颗粒或纳米绒毛结构;2)对上述脉冲激光处理过的表面进行低表面能物质修饰,修饰后得到超疏水表面;3)利用计算机画图软件绘制出树叶叶脉状通道网络结构图案;4)在上述制备的超疏水表面上利用脉冲激光扫描所述树叶叶脉状通道网络结构图案,将其低表面能物质修饰层去除,但不破坏微纳结构,使激光处理过的图案所处区域由超疏水特性转化为超亲水特性,未经处理的区域仍表现为超疏水特性,即得到具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面。上述方法中,其特征在于:步骤本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种具有超疏‑超亲水结构的自驱动集水表面,其特征在于:所述集水表面是在超疏水表面上分布有超亲水区域,超亲水区域为树叶叶脉状通道网络结构,该树叶叶脉状通道网络结构由不同级次的通道彼此联结而成;第一级通道位于树叶的中央位置,下一级通道分别从其上一级通道的两侧延展而出;不同级次的通道宽度不同,级次越高宽度越小。

【技术特征摘要】
1.一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面,其特征在于:所述集水表面是在超疏水表面上分布有超亲水区域,超亲水区域为树叶叶脉状通道网络结构,该树叶叶脉状通道网络结构由不同级次的通道彼此联结而成;第一级通道位于树叶的中央位置,下一级通道分别从其上一级通道的两侧延展而出;不同级次的通道宽度不同,级次越高宽度越小。2.如权利要求1所述的一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面,其特征在于:所述不同级次的通道分为两种,一种为负责定向运输所收集水分的主通道,另一种为负责收集水分并将所收集水分传递到主通道的次通道。3.如权利要求2所述的一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面,其特征在于:所述主通道为不对称楔形结构,锥度为2-30°,长度为0.5-20cm。4.如权利要求2所述的一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面,其特征在于:次级通道为等宽通道,分布在主通道的周围,彼此交织成密集网络,次级通道宽度为30-300微米,次级通道之间的间距为0.05mm-10mm。5.如权利要求1-4任一权利要求所述的一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面,其特征在于:不同级次的通道的总级数为二级至五级。6.如权利要求1所述的一种具有超疏-超亲水结构的自驱动集水表面的制备方法,其特征在于该方法包括如下步骤:1)利用脉冲激光在材料表面烧蚀出周期分布的峰-坑微米结构,微米峰和微米凹坑交替密集分布,峰-坑微米结构上分布有纳米颗粒或纳米绒毛结构;2)对上述脉冲激光处理过的表面进行低表面能物质修饰,修饰后得到超疏水表面;3)利用计算机画图软件绘制出树叶叶...

【专利技术属性】
技术研发人员:钟敏霖张红军刘伟建
申请(专利权)人:清华大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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