[发明专利]一种具有仿生疏水-亲水表面的材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种具有仿生疏水‑亲水表面的材料及其制备方法和应用。所述具有仿生疏水‑亲水表面的材料，是通过在具有亲水性微米凸起的亲水‑疏水区域相间存在的复合型表面上构建纳米凸起而形成的具有微纳复合型疏水‑亲水表面的材料；所述微米凸起的分布密度为1000个/cm²‑3000个/cm²。

技术领域

本发明属于仿生材料领域，具体涉及一种仿生疏水-亲水表面及其制备方法和应用。

背景技术

水资源是生命之源，虽然水资源的总储量很大但大部分都是以海水形式存在，可使用的淡水资源却十分有限，严重制约着国民生活。尤其是在干旱的沙漠地区，不仅地表淡水资源十分匮乏，而且降雨少，水资源稀缺。但这些地方一般昼夜温差较大，在夜间时空气湿度较大，因此可以设计一些高效集水材料来捕获空气中的淡水资源以缓解这些地区的水资源危机。

水汽冷凝分为两种模式：滴状冷凝和膜状冷凝。与膜状冷凝相比，滴状冷凝能够使液滴从基体材料上有效脱离，增加冷凝的换热系数从而提高集水的效率。滴状冷凝的接触角临界值为70.7°，而常用工业冷凝表面的表面能通常都较高表现出亲水性难以实现高效率的滴状冷凝，因而常采用降低表面能的方法来构建超疏水的表面。当材料表面水滴接触角小于90°时称为亲水状态，当水滴接触角在90°-150°之间时称为疏水状态，而材料表面水滴接触角大于150°时就称为超疏水状态了。受到自然界中许多植物和昆虫体表特殊的疏水特性的启发，如荷叶、仙人掌和甲壳虫等，国内外众多专家对超疏水材料制备技术以及对常规金属或合金材料的超疏水表面改性已经开展了大量的研究，并逐渐将其应用于工业和生活领域的各个领域。大量研究表明这种仿生疏水-亲水材料表面，在实际集水、防雾、自清洁、防冰冻中都有十分优异的效果。例如在专利CN110170747A中对铝合金表面进行改性制备出了一种仿生耦合集水铝合金防冰冻表面，该方法先利用激光雕刻机对铝合金表面进行激光烧蚀处理使其表面具有微纳米层级结构，然后均匀旋涂一层全氟辛基三乙氧基硅烷，得到超疏水表面，再在真空中干燥固化处理，最后再次进行激光刻蚀加工得到仿生耦合集水铝合金防冰冻表面。专利CN109208101A、CN109208102A、CN102776785B等都采用类蜘蛛丝的结构制成了集水纤维。但是当前对仿生超疏水表面的研究主要集中于完全超疏水表面，或者集中于对仿蜘蛛丝的纤维状结构的研究，而对于超疏水超亲水相间的仿甲壳虫表面的工作相对较少。但疏水-亲水交替的复合表面具有十分优良的滴状冷凝效果，在集水领域有非常巨大的研究潜力。

如上所述，甲壳虫背部亲水区和疏水区域交替分布的微纳复合型表面结构，在集水领域的应用潜力很大。但是目前对亲水-疏水表面制备的技术的研究不够充分，主要是在金属表面构建粗糙结构然后利用低表面能的含氟化合物修饰的修饰得到超疏水表面，然后将亲水性聚合物进行选区涂覆的方法得到疏水-亲水复合型表面。专利CN106009791A提出一种超亲水颗粒杂化的超疏水涂层及其制备方法，该方法首先用氟硅烷对纳米SiO₂溶胶进行改性得到超疏水涂层原料，然后将超亲水颗粒如硅微粉、玻璃微珠加入到超疏水的溶液中，待微粒分散均匀后将其喷涂到金属基片上，固化后即得到超亲水颗粒杂化的超疏水涂层。专利CN109702345A提出一种不锈钢疏水-亲水表面及其制备方法，该方法利用脉冲激光处理工艺对不锈钢表面进行多次改性，该方法首先利用脉冲激光扫描处理将不锈钢表面改性成为超亲水表面，然后采用烘烤的方法将超亲水表面制成超疏水表面，最后对全疏水表面再次进行脉冲激光处理得到呈楔形或三角形的亲水-疏水交替排列的表面。上述方法虽能实现滴状冷凝提高冷凝传热效率，但成本较高，工艺复杂，施工条件苛刻，且均采用金属材料，耐腐蚀性较差，使用寿命较短。

鉴于上述背景，提供一种高效率低成本且工艺简单的仿生疏水-亲水复合表面及其制备方法和应用，对提高集水效率、缓解用水压力、降低能耗具有十分重要的意义。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出一种新型的具有仿生疏水-亲水表面的材料及其制备方法，能有效实现液滴的滴状冷凝和快速脱落。此外，本发明还提供了上述具有仿生疏水-亲水表面的材料在集水领域的应用。