一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片制造技术

本发明专利技术一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，包括吸附自输运层、基底、渗透层和叶柄；吸附自输运层设置在基底上方，叶柄设置在基底下方，渗透层设置在整个仿生叶片的中心处，贯穿吸附自输运层、基底和叶柄内的上部，且与叶柄下部的微通道连通；吸附自输运层包括亲水表面、超疏水轨道和微疏水点，亲水表面的中心处开通孔，渗透层设置在通孔中；通孔的圆周设有多个超疏水轨道和微疏水点，超疏水轨道包括第三级梯度通道，第三级梯度通道的两侧设有多组第二级梯度通道，第二级梯度通道上设有多个第一级梯度通道；第一级梯度通道与第三级梯度通道的中心线平行，本发明专利技术能够吸附空气中的水雾，自输运到一定区域，并渗透到内部便于储存。

【技术实现步骤摘要】
一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片
本专利技术属于土壤基质离子浓度在线检测领域，具体涉及一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，在无源条件下收集空气水分，为土壤离子浓度在线检测传感器周围形成离子微溶液补充水分。
技术介绍
对土壤基质离子浓度的在线检测是实现栽培自动化智能化的关键之一。由于土壤颗粒松散、间隙大，组分、水分变化大等原因，使得测量电极周围水分不足，难以形成离子溶液，从而导致测量的准确性差。此外，土壤基质离子浓度的在线检测对整体的能耗和水分来源有更高的要求：能够在低功耗甚至不供能的条件下实现水分的收集；能够保证水分来源稳定，水量充足。因此，研究开发新型水分收集装置，收集空气中的水分对于土壤离子浓度在线检测的意义重大。收集空气中水分的方法主要分为有源和无源两种。有源方法的能够快速冷凝出水滴，不受环境等因素的干扰，但功耗很高。无源方法可以收集空气中的水分，但效率较低，收集时间很长。在自然条件下，环境温度低于露点温度或空气中湿度较大时，空气中水分过饱和，部分可转化为液态水，如晚间和清晨形成的露水。根据这一现象，人们提出了许多集水方法，例如申请号为201710643696.3的专利技术专利“一种倒金字塔式大气降露水采集装置”公开了一种利用昼夜温差在聚四氟乙烯膜上凝结出露水，并转移到收集容器中的集水方法。但由于聚四氟乙烯是一种疏水性较好的材料，对露水的收集完全依靠温差凝结出露水，这样集水效率较低。综上，目前在无源条件下对空气中水分的收集中，水蒸气的凝结效率低，液滴的自输运效果差等问题尚未得到有效的解决。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提出一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，能够吸附空气中的水雾，自输运到一定区域，并渗透到内部便于储存，可以为土壤基质离子浓度在线检测进行补水，也可以用于对植物生长补充水分。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，包括吸附自输运层、基底、渗透层和叶柄；所述吸附自输运层设置在基底上方，所述叶柄设置在基底下方，所述渗透层设置在整个仿生叶片的中心处，贯穿吸附自输运层、基底和叶柄内的上部，且与叶柄下部的微通道连通；所述吸附自输运层包括亲水表面、超疏水轨道和微疏水点，亲水表面的中心处开通孔，所述渗透层设置在所述通孔中；所述通孔的圆周设有多个超疏水轨道和微疏水点，所述超疏水轨道包括第三级梯度通道，所述第三级梯度通道的两侧设有多组第二级梯度通道，所述第二级梯度通道上设有多个第一级梯度通道；所述第一级梯度通道与第二级梯度通道具有夹角，第一级梯度通道与第三级梯度通道的中心线平行。上述方案中，所述亲水表面设有凸起和凹坑微观结构。上述方案中，所述第一级梯度通道的中心长度l1为0.8～1.5mm，宽度w1为0.06～0.2mm，深度h1为0.04～0.09mm，第二级梯度通道的中心长度l2为0.8～1.5mm，宽度w2为0.1～0.25mm，深度h2为0.04～0.09mm，第三级梯度通道的中心长度l3为5～10mm，宽度w3为0.3～0.9mm，深度h3为0.04～0.09mm。基于以上参数，可以使3μL～5μL(根据接触角测量的要求)的小液滴在疏水轨道上处于Cassie-Wenzel润湿状态，在该润湿性状态下，更有利于液滴自输运。上述方案中，所述第一级梯度、第二级梯度和第三级梯度内分别设有多个凹槽，所述第一级梯度内的凹槽与第二级梯度内的凹槽连通，所述第二级梯度内的凹槽与第三级梯度内的凹槽连通。进一步的，所述第一级梯度内设有三个大小相等的凹槽，所述第二级梯度内设有三个大小相等的凹槽，所述第三级梯度内设有五个大小相等的凹槽。上述方案中，所述第一级梯度通道与第二级梯度通道的夹角为55°到65°，使第一级梯度通道上液体能够自然、顺畅地流入第二级通道中。上述方案中，所述微疏水点为半球形。上述方案中，所述微疏水点成列分布在第二级梯度附近、且与第二级梯度中心线平行排列，每列的微疏水点之间间距相等。上述方案中，所述吸附自输运层和基底向上弯曲。上述方案中，所述渗透层为多孔介质材料制成；所述多孔材料为PVA基超疏水多孔材料，孔径大小为2.5μm～20μm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术结合仿生结构、多孔材料与飞秒激光加工的方法，制作仿生叶片；仿生叶片吸附自输运层采用了亲水性均匀的铝制亲水表面、半球状微凹槽的微疏水点与具有三级梯度楔形微结构的超疏水轨道三合一的方式，通过亲水表面和微疏水点综合作用，提高仿生叶片表面对空气中水分的吸附能力，利用超疏水轨道使液滴及时、快速地自输运运输液滴，减少液滴在叶片表面的滞留时间；此外，通过多孔渗透层保证了液滴在较细的叶柄内微通道内流动，同时防止微通道由于杂质进入而堵塞。本专利技术仿生叶片通过吸附、自输运和渗透同步进行，解决了水分收集效率低的问题，在无源条件下实现对空气水分的收集，具有节约能源、制备简单、集水效率高、结构新颖等特点。附图说明图1为本专利技术一实施方式的集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片主视图；图2为本专利技术一实施方式的集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片俯视图；图3为本专利技术一实施方式的集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片超疏水轨道12放大图；图4为本专利技术一实施方式的仿生叶片超疏水轨道12的第一级梯度121沿A-A方向的剖视图；图5为本专利技术一实施方式的仿生叶片超疏水轨道12的第一级梯度122沿B-B方向的剖视图；图6为本专利技术一实施方式的仿生叶片超疏水轨道12的第三级梯度123沿C-C方向的剖视图；图7为本专利技术一实施方式的仿生叶片微疏水点13的细节放大图。图中，1、吸附自输运层；11、亲水表面；12、超疏水轨道；13、微疏水点；121、第一级梯度；122、第二级梯度；123、第三级梯度；2、基底；3、渗透层；4、叶柄，41、微通道。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本专利技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，其特征在于，包括吸附自输运层(1)、基底(2)、渗透层(3)和叶柄(4)；/n所述吸附自输运层(1)设置在基底(2)上方，所述叶柄(4)设置在基底(2)下方，所述渗透层(3)设置在整个仿生叶片的中心处，贯穿吸附自输运层(1)、基底(2)和叶柄(4)内的上部，且与叶柄(4)下部的微通道(41)连通；/n所述吸附自输运层(1)包括亲水表面(11)、超疏水轨道(12)和微疏水点(13)，亲水表面(11)的中心处开通孔，所述渗透层(3)设置在所述通孔中；所述通孔的圆周设有多个超疏水轨道(12)和微疏水点(13)，所述超疏水轨道(12)包括第三级梯度通道(123)，所述第三级梯度通道(123)的两侧设有多组第二级梯度通道(122)，所述第二级梯度通道(122)上设有多个第一级梯度通道(121)；所述第一级梯度通道(121)与第二级梯度通道(122)具有夹角，第一级梯度通道(121)与第三级梯度通道(123)的中心线平行。/n

【技术特征摘要】
1.一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，其特征在于，包括吸附自输运层(1)、基底(2)、渗透层(3)和叶柄(4)；
所述吸附自输运层(1)设置在基底(2)上方，所述叶柄(4)设置在基底(2)下方，所述渗透层(3)设置在整个仿生叶片的中心处，贯穿吸附自输运层(1)、基底(2)和叶柄(4)内的上部，且与叶柄(4)下部的微通道(41)连通；
所述吸附自输运层(1)包括亲水表面(11)、超疏水轨道(12)和微疏水点(13)，亲水表面(11)的中心处开通孔，所述渗透层(3)设置在所述通孔中；所述通孔的圆周设有多个超疏水轨道(12)和微疏水点(13)，所述超疏水轨道(12)包括第三级梯度通道(123)，所述第三级梯度通道(123)的两侧设有多组第二级梯度通道(122)，所述第二级梯度通道(122)上设有多个第一级梯度通道(121)；所述第一级梯度通道(121)与第二级梯度通道(122)具有夹角，第一级梯度通道(121)与第三级梯度通道(123)的中心线平行。


2.根据权利要求1所述的集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，其特征在于，所述亲水表面(11)设有凸起和凹坑微观结构。


3.根据权利要求1所述的集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，其特征在于，所述第一级梯度通道(121)的中心长度l1为0.8～1.5mm，宽度w1为0.06～0.2mm，深度h1为0.04～0.09mm，第二级梯度通道(122)的中心长度l2为0.8～1.5mm，宽度w2为0.1～0.25mm，深度h2为0.04～0.09mm，第三级梯度通道(123)的中心长度l3为5～10mm，宽度w3为0.3～0.9mm，深度h3为...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛天宇，张西良，陈成，倪梦瑶，宗圣康，苏小青，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32