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具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水表面的锥形铜针用于水雾收集的方法技术

技术编号:24882660 阅读:25 留言:0更新日期:2020-07-14 18:09
本发明专利技术提供具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水‑亲水表面的锥形铜针用于水雾收集的方法。本发明专利技术包括电沉积法制备具有纳米块状结构的铜表面、在电沉积后的铜针尖端制备氢氧化铜纳米线、有超疏水‑亲水集成表面的锥形铜针制备、具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料的制备、具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料作为基底与超疏水‑超亲水集成表面的锥形铜针组装在一起的水雾收集组合。每块基底组装一根铜针时的收集率约为9.05g/h,铜针数量为六根时的收集率约为14.19g/h。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,这种将亲水、滑移块体材料作为基底与超疏水‑超亲水集成表面的锥形铜针组装在一起的水雾收集组合可以大规模推广。

【技术实现步骤摘要】
具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水表面的锥形铜针用于水雾收集的方法
本专利技术属于材料
,特别涉及一种制备具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水集成表面的锥形铜针用于水雾收集的方法。
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。据报道,水资源短缺是人类未来面临的紧迫问题之一。如何快速有效地从潮湿的空气中收集水分成为一个挑战。众所周知,在沙漠或临海国家,雾一般存在于湿润的大气中。自然界中的生物进化出了利于集水的表面微观结构,这给了科学家们仿生研究的灵感。仙人掌揭示了一种独特的结合锥刺加速微小液滴运输的完整的水收集系统。此外,纳米布沙漠甲虫的背部由疏水蜡质区域和亲水非蜡质区域构成的凹凸不平的背部,为它们从空气中收集饮用水提供了便利。研究表明,利用生物仿生技术在结构特征上控制材料表面的集水能力,并结合物理化学性质,是一种可行的方法。特别是在物理和化学中的多梯度之间的结合(例如,几何形状产生的拉普拉斯压差、润湿梯度等)对促进液滴运输起着重要的作用。近年来,人们利用表面形状梯度、磁激励响应、不对称润湿性、以及各向异性多孔结构与温度响应润滑流体相结合的方法,试图解决高效水雾收集的问题,实现液滴的单向输运。事实上,在单个梯度力的作用下,液滴的快速移动总是难以实现,液滴的运输受到一定长度的限制。因此,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。通过电沉积法在原始具有光滑表面的铜针表面沉积微纳块状结构的铜表面,用砂纸将电沉积针的尖端1cm长度的表面打磨至沉积铜消失。然后,将处理过的铜针尖端通过碱氨刻蚀在表面制备氢氧化铜纳米线,利用1-十八烷基硫醇/乙醇溶液修饰,成功制备出具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针表面。另外,通过将将分散的水和TiO2纳米粒子溶液逐滴地加入到未固化的PDMS中制备具有多孔结构的硅胶块体材料,用砂纸(400目)打磨样品表面,成功制备出超疏水硅胶块体材料。将离子液体BMIMPF6旋涂在超疏水表面,获得具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料。该具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针不仅在室温下具有液体的定向运输行为(从尖端运输至超尾部),而且具有良好的水雾收集能力,在不同的角度下(0°、10°、20°、-10°、-20°)进行水雾收集,在水平放置时的效率最佳,对比原始的铜针水雾收集质量提升了大约141%。与制备的单独的具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针、具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料相比较,将具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水集成表面的锥形铜针组合用于水雾收集,大大提高了水雾收集率。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,这种将亲水、滑移块体材料作为基底与超疏水-超亲水集成表面的锥形铜针组装在一起(锥形铜针垂直于基底表面放置)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亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水集成表面的锥形铜针的水收集组合,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。单独的超疏水硅胶块体材料或超疏水-亲水集成表面的锥形铜针水雾收集能力较差,二者的组合不仅可以利用超疏水-亲水集成表面的锥形铜针快速集水,还进一步结合亲水、滑移表面的硅胶块体材料加速液滴的吸收及去除,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:具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料作为基底、超疏水-亲水集成表面的锥形铜针垂直插入基底,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:具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水表面的锥形铜针用于水雾收集的方法,其特征在于,包括如下步骤:A.电沉积法制备具有纳米块状结构的铜表面:首先,选取长度为3cm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,将处理过的铜针利用电化学工作站进行电沉积,其中,铜针作为阴极,铂电极作为阳极,饱和甘汞电极作为辅助电极,选取的电解液为0.5-0.7M的硫酸铜溶液,在时间-电流窗口下沉积400-600s,取出铜针,用乙醇清洗过后在氮气流下干燥1-3min;B.在电沉积后的铜针尖端制备氢氧化铜纳米线:首先,用砂纸将电沉积铜针的尖端1cm长度的表面打磨至沉积铜消失,然后,将处理过的铜针放入0.5-1M氢氧化钠与0.03-0.05M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;C.具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针制备:利用2-3mM1-十八烷基硫醇/乙醇溶液修饰步骤B中的具有氢氧化铜纳米线的部分,修饰时间为30-50s,形成了具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针表面;D.具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料的制备:首先将Sylgard184与固化剂按10:1的质量比混合在50ml的烧杯中,然后将直径为25nm的TiO2纳米颗粒与水按1:10的质量比进行分散,将分散的水和TiO2纳米粒子溶液以50-60ml/h的速度逐滴地加入到未固化的PDMS中,在转速为3000-4000rpm的磁力搅拌装置中搅拌2-3h,然后将乳化液倒入聚四氟乙烯瓶中作为模具,在真空干燥箱中脱气4-5h,脱气后,将聚四氟乙烯瓶密封,置于65-70℃下4-5h,然后将固化好的PDMS从聚四氟乙烯瓶中取出,置于180-190℃下2-3h,最后,用砂纸打磨样品表面,直到样品表面呈现超疏水性,将离子液体BMIMPF6在3000-4000rpm转速下旋涂在超疏水表面;E.具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料作为基底与超疏水-超亲水集成表面的锥形铜针组装在一起的水雾收集组合:取一块半径为1.5cm的具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料做为基底,将长度为3cm的超疏水-亲水集成表面的锥形铜针垂直插入块体材料,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1小时,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15℃和70%。进一步的,步骤A中,铜针在0.5-0.7M硫酸铜溶液中进行铜的沉积,电解液溶液必须混合均匀,电极装置必须清洁。进一步的,步骤B中,铜针在0.5-1M氢氧化钠与0.03-0.05M过硫酸铵碱溶液中刻蚀,溶液必须混合均匀。进一步的,利用2-3mM1-十八烷基硫醇/乙醇溶液进行润湿性改性时,修饰时间需要严格控制在30-50s内,保证具有纳米棒状结构的同时表现出超疏水性能。进一步的,硅胶块体材料需要充分脱气,180-190℃高温下使水分充分蒸发,从而出现孔状结构,在砂纸打磨下表面呈现出超疏本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水表面的锥形铜针用于水雾收集的方法,其特征在于,包括如下步骤:/nA.电沉积法制备具有纳米块状结构的铜表面:首先,选取长度为3cm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,将处理过的铜针利用电化学工作站进行电沉积,其中,铜针作为阴极,铂电极作为阳极,饱和甘汞电极作为辅助电极,选取的电解液为0.5-0.7M的硫酸铜溶液,在时间-电流窗口下沉积400-600s,取出铜针,用乙醇清洗过后在氮气流下干燥1-3min;/nB.在电沉积后的铜针尖端制备氢氧化铜纳米线:首先,用砂纸将电沉积铜针的尖端1cm长度的表面打磨至沉积铜消失,然后,将处理过的铜针放入0.5-1M氢氧化钠与0.03-0.05M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;/nC.具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针制备:利用2-3m M 1-十八烷基硫醇/乙醇溶液修饰步骤B中的具有氢氧化铜纳米线的部分,修饰时间为30-50s,形成了具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针表面;/nD.具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料的制备:首先将Sylgard 184与固化剂按10:1的质量比混合在50ml的烧杯中,然后将直径为25nm的TiO2纳米颗粒与水按1:10的质量比进行分散,将分散的水和TiO2纳米粒子溶液以50-60ml/h的速度逐滴地加入到未固化的PDMS中,在转速为3000-4000rpm的磁力搅拌装置中搅拌2-3h,然后将乳化液倒入聚四氟乙烯瓶中作为模具,在真空干燥箱中脱气4-5h,脱气后,将聚四氟乙烯瓶密封,置于65-70℃下4-5h,然后将固化好的PDMS从聚四氟乙烯瓶中取出,置于180-190℃下2-3h,最后,用砂纸打磨样品表面,直到样品表面呈现超疏水性,将离子液体BMIMPF6在3000-4000rpm转速下旋涂在超疏水表面;/nE.具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料作为基底与超疏水-超亲水集成表面的锥形铜针组装在一起的水雾收集组合:取一块半径为1.5cm的具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料做为基底,将长度为3cm的超疏水-亲水集成表面的锥形铜针垂直插入块体材料,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1小时,用于水收集实验的加湿器的流量和速度分别约为0.0556g s-1和25cm s-1,在实验中,样品周围的温度和相对湿度分别为15℃和70%。/n...

【技术特征摘要】
1.具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水表面的锥形铜针用于水雾收集的方法,其特征在于,包括如下步骤:
A.电沉积法制备具有纳米块状结构的铜表面:首先,选取长度为3cm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,将处理过的铜针利用电化学工作站进行电沉积,其中,铜针作为阴极,铂电极作为阳极,饱和甘汞电极作为辅助电极,选取的电解液为0.5-0.7M的硫酸铜溶液,在时间-电流窗口下沉积400-600s,取出铜针,用乙醇清洗过后在氮气流下干燥1-3min;
B.在电沉积后的铜针尖端制备氢氧化铜纳米线:首先,用砂纸将电沉积铜针的尖端1cm长度的表面打磨至沉积铜消失,然后,将处理过的铜针放入0.5-1M氢氧化钠与0.03-0.05M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;
C.具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针制备:利用2-3mM1-十八烷基硫醇/乙醇溶液修饰步骤B中的具有氢氧化铜纳米线的部分,修饰时间为30-50s,形成了具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针表面;
D.具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料的制备:首先将Sylgard184与固化剂按10:1的质量比混合在50ml的烧杯中,然后将直径为25nm的TiO2纳米颗粒与水按1:10的质量比进行分散,将分散的水和TiO2纳米粒子溶液以50-60ml/h的速度逐滴地加入到未固化的PDMS中,在转速为3000-4000rpm的磁力搅拌装置中搅拌2-3h,然后将乳化液倒入聚四氟乙烯瓶中作为模具,在真空干燥箱中脱气4-5h,脱气后,将聚四氟乙烯瓶密封,置于65-70℃下4-5h,然后将固化好的PDMS从聚四氟乙烯瓶中取出,置于180-190℃下2-3h,最后,用砂纸打磨样品表面,直到样品表面呈现超疏水性,将离子液体BMIMPF6在3000-4000rpm转速下旋涂在超疏水表面;
E.具有亲水、滑移表面...

【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

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