一种具有超亲水-超疏水的3D结构集雾材料的制备方法技术

本发明专利技术提供一种具有超亲水

【技术实现步骤摘要】
一种具有超亲水
‑
超疏水的3D结构集雾材料的制备方法


[0001]本专利技术属于杂化润湿性表面制备
，特别涉及制备具有高效雾水收集材料表面领域的制备方法。

技术介绍

[0002]全球各地水资源的分布不均匀，气候变化以及日益严重的水污染问题导致了世界范围内淡水资源的短缺。在雾气中收集水资源也成为了部分干旱地区解决缺水隐患的突破口。然而研究开发能够高效从雾中收集淡水资源的特殊结构或表面仍然是一个挑战。杂化润湿性结合三维结构能够为制备高效的集雾材料提供思路，一是因为3D结构相较于2D平面有更大的与雾流直接接触的表面积，同时3D结构能有效减少雾流的偏移。二是杂化润湿性表面液滴能够被表面的超亲水位点快速捕获并凝聚成大液滴，然后从表面的超疏水区域轻松滚落。这能够有效提高材料雾水收集的效率。本专利技术所制备的超亲水
‑
超疏水的3D结构集雾材料有望成为在雾水收集领域产生广阔应用前景。
[0003]本专利技术通过电化学阳极氧化法制备了超亲水ZnO。结合喷涂法和光催化反应使得PDMS接枝在ZnO上，得到了超疏水表面。通过模板法和掩膜法，制备出超亲水
‑
超疏水3D结构。这种杂化润湿性的三维材料的集雾效率远高于原始2D平面，是原始锌片的418%。同时相比较超亲水
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超疏水杂化2D平面提升了168%，相比较超疏水3D结构提升了150%。基于以上优异性能，该3D结构集雾材料可以进行大规模推广。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种大规模、高效的方法来制备超亲水
‑
超疏水的3D结构集雾材料。利用超亲水ZnO以及PDMS的疏水性得到杂化润湿性，利用模板法按压制备具有瓦楞纸结构的锌片。实现杂化润湿性3D结构集雾材料的制备。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案是：一种具有超亲水
‑
超疏水的3D结构集雾材料的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：A. 超亲水ZnO的制备：通过模板压片制备出一定弯折角度的仿瓦楞纸锌片，弯折角度θ满足30
°
≤θ≤120
°
，将锌片分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声 10 min，去除表面污垢；然后将清洗过的锌片在 7:3乙醇/磷酸溶液中以恒定电压 15 V 电抛光 3 min；随后，选择恒定电压 8 V，电化学阳极氧化锌片 45 min，将获得的 ZnO在 200℃的空气中退火 120 min，以提高其完整性和结晶度；B. 超疏水PDMS@ZnO的制备：首先，将超亲水ZnO浸泡到 PDMS 溶液中 20 min，然后将这个覆盖着一层 PDMS 的样品水平放置在紫外灯下照射 30 min；最后，利用四氢呋喃将多余未接枝的 PDMS 洗去并在氮气流下干燥；C. 超亲水
‑
超疏水杂化锌片的制备：首先，将PDMS稀释，将表面需要保持超亲水的部分用掩膜掩盖；然后将稀释过的PDMS溶液喷涂到超亲水ZnO表面，喷涂次数为3次，喷涂距离为20cm；然后取下掩膜，将覆盖有一层薄PDMS的样品水平放置在紫外灯下照射30min；最
后，利用四氢呋喃将多余未接枝的 PDMS 洗去并在氮气流下干燥。
[0006]作为优选，步骤A中，仿瓦楞纸锌片尺寸为4 cm
×
6 cm。
[0007]作为优选，步骤A中，仿瓦楞纸锌片弯折角度60
°
≤θ≤120
°
。
[0008]进一步地，步骤A中，仿瓦楞纸锌片弯折角度θ=60
°
效果最佳。
[0009]作为优选，步骤B中，聚二甲基硅氧烷PDMS和固化剂的质量百分数配比为：90.91%:9.09%。
[0010]作为优选，步骤B和步骤C中，放置在20 W的紫外灯下照射 30 min，距离为 10 cm。
[0011]作为优选，步骤C中， PDMS 稀释，按正己烷和PDMS体积比为20：1稀释。
[0012]作为优选，步骤C中，四氢呋喃的纯度为分析，纯度≥99.0%。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1. 制备工艺简单，原料易得，成本低廉。
[0014]2. 采用了喷涂PDMS的表面，制备的表面具有良好的滑动性能。
[0015]3. 采用浸泡PDMS的表面，紫外照射光催化接枝后具有良好的防污性能、自清洁能力。
[0016]4. 由于采用了超亲水
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超疏水杂化表面和3D结构，最终表面具有优异的雾水收集效率。
附图说明
[0017]图1为本专利技术超疏水ZnO片的制备流程图，以及制备过程中得到的不同样品的SEM图。(a
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b) 超亲水ZnO片；(c
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d) 喷涂有PDMS涂层的超疏水ZnO片。
[0018]图2为本专利技术制备及形貌表征图。(a
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b) 超亲水ZnO表面的SEM图谱及EDS图谱；(c
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d) 浸泡法制备的超疏水ZnO表面的SEM图谱及表观接触角EDS图谱；(e
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j) 喷涂法制备的超疏水ZnO表面的SEM图谱，表观接触角以及EDS图谱，喷涂次数分别为2、3、4次，喷涂距离为20 cm。
[0019]图3为本专利技术防污及自清洁测试图。(a) 超疏水ZnO表面的防污性能测试，三种液体分别为可乐，咖啡，牛奶；(b) 超疏水ZnO表面的自清洁性能测试；(c) 超疏水ZnO表面的粘附力表征；(d) 喷涂PDMS涂层后表面接触角和滑动角随着紫外照射时间变化而变化；(e) 液滴在超疏水ZnO表面的弹跳过程。
[0020]图4为本专利技术3D结构和杂化润湿性对集水效率的影响。(a) 原始锌片和3D结构的锌片在0.5 h内收集到的水重量对比图； (b) 2D平面集水模型；(c) 3D结构集水模型；(d) 原始锌片，超亲水ZnO片，超疏水ZnO片和超亲水
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超疏水杂化ZnO片的集水效率柱状图，杂化表面有三条超亲水带，长4 cm ，宽2 mm ，间距为1 cm；(e) 原始锌片表面，超亲水表面，超疏水表面以及超亲水
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超疏水杂化表面第一滴液滴掉落的时间和液滴直径关系图；(f) 原始锌片表面，超亲水表面，超疏水表面以及超亲水
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超疏水杂化表面的接触角光学照片，不同颜色的液滴来自不同染料染色的水溶液。
[0021]图5为本专利技术3D结构中凹陷与尖端对集水效率的影响，两种结构表面均为超疏水表面。(a)雾流中液滴在凹
‑
凸
‑
凹结构的聚集过程；(b)雾流中液滴在凸
‑
凹
‑
凸结构的聚集过程；(c) 两种不同凹凸结构的超疏水表面集水效率柱状图；(d) 凹陷处液滴成核，生长，滚落的光学照片；(e) 凸起尖端处液滴成核，生长，滚落的光学照片。
[0022]图6为本专利技术不同角度的超疏水3D结构凹陷处以及超疏水2D平面的液滴成核本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有超亲水
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超疏水的3D结构集雾材料的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：A. 超亲水ZnO的制备：通过模板压片制备出一定弯折角度的仿瓦楞纸锌片，弯折角度θ满足30
°
≤θ≤120
°
，将锌片分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声 10 min，去除表面污垢；然后将清洗过的锌片在 7:3乙醇/磷酸溶液中以恒定电压 15 V 电抛光 3 min；随后，选择恒定电压 8 V，电化学阳极氧化锌片 45 min，将获得的 ZnO在 200℃的空气中退火 120 min，以提高其完整性和结晶度；B. 超疏水PDMS@ZnO的制备：首先，将超亲水ZnO浸泡到 PDMS 溶液中 20 min，然后将这个覆盖着一层 PDMS 的样品水平放置在紫外灯下照射 30 min；最后，利用四氢呋喃将多余未接枝的 PDMS 洗去并在氮气流下干燥；C. 超亲水
‑
超疏水杂化锌片的制备：首先，将PDMS稀释，将表面需要保持超亲水的部分用掩膜掩盖；然后将稀释过的PDMS溶液喷涂到超亲水ZnO表面，喷涂次数为3次，喷涂距离为20cm；然后取下掩膜，将覆盖有一层薄PDMS的样品水平放置在紫外灯下照射30min；最后，利用四氢呋喃将多余未接枝的 PDMS 洗去并在氮气流下干燥。2.如权利要求1所述的一种具有超亲水
‑
超疏水的3D结构集雾材料的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志光，傅烨，彭周亮，辛燕，杨付超，郑自建，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：