一种抗紫外线与强机械性能的Janus材料及应用制造技术

本发明专利技术属于仿生材料技术领域，涉及一种抗紫外线与强机械性能的Janus材料及应用。该Janus材料包括：基材、亲水涂液和疏水涂液，所述基材表面覆有所述亲水涂液和所述疏水涂液；所述基材为泡沫金属材料；所述亲水涂液包括：单宁酸、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐、氨基丙基三乙氧基甲硅烷和乙醇；所述疏水涂液包括：聚二甲基硅氧烷、亲脂性有机溶剂和四针状氧化锌。本发明专利技术受贻贝和豪猪鱼表面的组成和结构的启发，构建并制备了一种Janus材料，该Janus材料具备不对称的润湿性和协同的交替润湿性，适用于水分子的富集，例如捕获雾滴收集成水，并具有良好的抗紫外线、抗磨损能力和高机械强度。抗磨损能力和高机械强度。抗磨损能力和高机械强度。

【技术实现步骤摘要】
一种抗紫外线与强机械性能的Janus材料及应用


[0001]本专利技术属于仿生材料
，涉及一种抗紫外线与强机械性能的Janus材料及应用。

技术介绍

[0002]为了缓解干旱地区的缺水问题，雾被认为是解决干旱地区缺水的有效策略。基于此，捕雾集水材料被认为是收集大气中水资源的有效方法，捕雾集水材料的实现过程可分为雾捕集、供水和除水三步，其中亲水性材料可以较易从外界雾中捕获小雾滴从而促进雾的捕获，而疏水材料将有助于小水滴聚集凝结，促进水滴转移去除，进而更快的使亲水区域暴露，继续捕获空气中的雾滴。润湿材料的性质极大提高了捕雾效率和集水率，然而，单一的润湿性材料只能提高捕雾率或除水的效率，从而限制了集雾成水的整体效率。因此，根据雾捕集材料所需的内在特性，选择具有良好协同润湿性能的捕雾材料对实现捕雾集水具有重要意义。
[0003]Janus纳米材料基本特征在于其微尺度空间具有明确分区的化学和功能，其关键问题在于如何实现Janus材料形貌可控、化学组成严格分区、不同位点复合功能分区、微结构精细调控和批量化制备是该研究方向中的重点和难点。在众多捕雾材料中，由于非对称表面润湿驱动力的优点，Janus材料表现出与重力无关的排水过程，这种良好的特性是促进雾收集和缓解水资源短缺的一种良好策略。
[0004]然而，研究表明目前Janus材料在经济性和耐久性方面仍然存在局限性，用于捕雾集水的Janus材料的批量化制备和长期使用受到挑战。例如，一些Janus材料(例如CN115253685A)使用PDA来构建亲水性，PDA较为高昂的价格限制了其大规模应用；一些Janus材料采取化学蚀刻的方式，例如CN110755887B和CN110656328A，其容易变形，以及暴露在紫外线辐射下时，疏水涂层容易降解，并且在沙漠中应用时，空气中的飞沙容易磨损材料表面，从而破坏材料的特殊润湿性涂层；一些Janus材料制备工艺复杂，例如通过飞秒激光技术制备的捕雾集水的Janus材料，难以大规模工业化应用。因此，研制具有足够耐久性和优良抗紫外性能的Janus雾捕集材料对解决捕雾集水问题具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于对现有用于捕雾集水的Janus材料及制备方法进行改进，获取具有良好的抗紫外线、抗磨损能力和高机械强度且制备方法简单经济的Janus材料。
[0006]基于上述目的，本申请通过提供一种抗紫外线与强机械性能的Janus材料及应用来解决该领域中的这种需要。
[0007]一方面，本专利技术涉及一种Janus材料，其包括：基材、亲水涂液和疏水涂液，所述基材表面覆有所述亲水涂液和所述疏水涂液；所述基材为泡沫金属材料；所述亲水涂液包括：单宁酸、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐、氨基丙基三乙氧基甲硅烷和乙醇；所述疏水涂液包括：聚二甲基硅氧烷、亲脂性有机溶剂和四针状氧化锌。
[0008]进一步地，本专利技术提供的Janus材料中，所述亲脂性有机溶剂包括环己烷、正己烷、乙酸乙酯中的一种。
[0009]进一步地，本专利技术提供的Janus材料中，所述亲水涂液中，每40～60mg单宁酸配合25mL三羟甲基氨基甲烷盐酸盐、40～60mg氨基丙基三乙氧基甲硅烷、5mL乙醇。
[0010]进一步地，本专利技术提供的Janus材料中，所述疏水涂液中，每1～2g聚二甲基硅氧烷配合60mL己烷、1～2g四针状氧化锌。
[0011]进一步地，本专利技术提供的Janus材料中，所述泡沫金属材料包括泡沫铜、泡沫镍、泡沫铜镍合金、泡沫镍铬合金。
[0012]另一方面，本专利技术提供了上述Janus材料的制备方法，包括：将所述基材浸入所述亲水涂液中至少12h，然后在所述基材覆有所述亲水涂液的一面喷涂所述疏水涂液。
[0013]另一方面，本专利技术涉及上述的Janus材料在捕雾集水中的应用。
[0014]本专利技术所制备的Janus材料，其能较好地实现利用仿生贻贝所产出的多巴胺与豪猪鱼表面的针状结构，通过简单的浸涂与喷涂步骤，赋予泡沫铜良好的不对称协同润湿性与抗紫外线、强机械性能的能力，从而加快了捕雾集水性能，提高了材料在沙漠风沙强地区的持续利用。由此，本专利技术进一步请求保护一种雾水收集装置，其包含上述的Janus材料。
[0015]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果或者优点：
[0016](1)本专利技术提供的Janus材料，利用单宁酸与氨基丙基三乙氧基甲硅烷仿生制备与多巴胺性质相似的亲水涂液，其降低了使用多巴胺作为改性亲水涂层的成本，并通过单宁酸提高了材料的抗紫外线性能。
[0017](2)本专利技术提供的Janus材料，用聚二甲基硅氧烷与四针状氧化锌仿生制备类似豪猪鱼的表面结构，赋予了Janus材料的疏水性和高机械强度。四针状氧化锌的独特结构在雾捕集过程中起着重要作用，由于锥形的拉普拉斯压力梯度，捕获的液滴将移动到四针状氧化锌的底部，并在液滴离开尖端后开始新的雾捕获和定向收集循环，通过连续的“融合”和“定向运动”过程实现雾的连续捕获。
[0018](3)本专利技术提供的Janus材料制备，其制备流程简单，无需化学蚀刻或是其他精细化处理方法，仅通过浸涂和喷涂，即可实现Janus材料的制备。
[0019](4)本专利技术提供的Janus材料具备不对称的润湿性和协同的交替润湿性，适用于水分子的富集，例如捕获雾滴收集成水，并具有良好的抗紫外线、抗磨损能力和高机械强度。
附图说明
[0020]图1为本专利技术Janus材料的制备过程示意图。
[0021]图2为泡沫铜和实施例1中基于泡沫铜制得的Janus材料的扫描电镜图(SEM)。a为泡沫铜原始图，b为亲水改性后图，c为疏水改性后图，d为Janus协同交替润湿性图。
[0022]图3为泡沫铜与实施例1中基于泡沫铜制得的Janus材料的的红外光谱图(FT
‑
IR)。a为泡沫铜的傅里叶变换红外光谱谱线，b为亲水改性后的傅里叶变换红外光谱谱线，c为疏水改性后的傅里叶变换红外光谱谱线，d为Janus协同交替润湿性材料的傅里叶变换红外光谱谱线。
[0023]图4为实施例1中基于泡沫铜制得的Janus材料的X射线光电子能谱分析图(XPS)。a为泡沫铜，b为亲水改性，c为疏水改性，d为Janus协同交替润湿性材料。
[0024]图5为实施例1中基于泡沫铜制得的Janus材料的基于C1S的分峰图。
[0025]图6为实施例1中基于泡沫铜制得的Janus材料的应用原理。a为泡沫铜、亲水改性、疏水改性的接触角，b为通过显微镜实际拍摄的液滴行为图，c为雾滴在材料表面的行为示意图，d为雾滴在四针状氧化锌的针状结构表面的作用。
[0026]图7为30min后的水收集率。a不同湿度下的水收集效率，b为不同倾斜角度下的水收集率。
[0027]图8为72小时连续试验后Janus材料的接触角和水收集率。
[0028]图9为使用落砂磨损进行10次连续重复使用性试验后Janus材料的接触角和水收集率。
[0029]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Janus材料，其特征在于，包括：基材、亲水涂液和疏水涂液，所述基材表面覆有所述亲水涂液和所述疏水涂液；所述基材为泡沫金属材料；所述亲水涂液包括：单宁酸、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐、氨基丙基三乙氧基甲硅烷和乙醇；所述疏水涂液包括：聚二甲基硅氧烷、亲脂性有机溶剂和四针状氧化锌。2.根据权利要求1所述的Janus材料，其特征在于，所述亲脂性有机溶剂包括环己烷、正己烷、乙酸乙酯中的一种。3.根据权利要求1所述的Janus材料，其特征在于，所述亲水涂液中，每40～60mg单宁酸配合25mL三羟甲基氨基甲烷盐酸盐、40～60mg氨基丙基三乙氧基甲硅烷、5mL乙醇。...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晨曦，张海欧，陈田庆，王健，王迎国，曹婷婷，郭振，
申请(专利权)人：陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：