[发明专利]一种用于高效环境水汽俘获的带凸起图案化表面的制备方法

说明书

本发明提供一种用于高效环境水汽俘获的带凸起图案化表面的制备方法。从环境雾汽中俘获水作为一种解决干旱地区和欠发达地区淡水资源紧缺的方法被广泛讨论。纳米布沙漠甲虫因其背部独特的凸起结构和亲疏相间的区域，能够在缺水的沙漠里靠收集空气中的小水滴维持生存；而植物的树形叶脉可以更有效的运输水分。受此启发，本发明通过激光扫描在超疏水表面得到润湿性相间的树形图案以提高集水效率。然而，收集过程中水滴的形成速率限制了集水效率。为了提高水滴的形成速率，本发明在锌片的表面添加了凸起阵列，能快速聚集液滴。这种带凸起图案化结构的集水装置制作简单，原材料绿色无污染，为开发新型淡水收集装置提供了一条新途径。

技术领域

本发明属于梯度润湿性表面的制备技术领域，特别涉及在亲疏水相间表面用于淡水收集的制备方法。

背景技术

从环境雾汽中俘获水作为一种解决干旱地区和欠发达地区淡水资源紧缺的方法被广泛讨论。纳米布沙漠甲虫其背部有独特的凸起结构和相间图案，凸起结构和相间图案结合能够迅速聚集空气中的小液滴，纳米布沙漠甲虫也凭此在缺水的沙漠里能够靠收集空气中的小水滴维持生存；而植物的树形叶脉可以更有效的运输水分。受此启发的凸起树形图案化表面显著提升了集水效率，为开发新型淡水收集装置提供了一条新途径。

采用模具通过冲压模具压制的方法，在锌片表面制备了凸起阵列。凸起顶部的气流相对集中，导致速度矢量密度高于平面，有利于扎钉在超疏水表面的液滴脱落。凸起的捕获面积更大，水滴生长速率更快。为了进一步提高水的捕获效率，在表面疏水层通过激光扫射制得亲水叶脉图案，由于在图案的边界存在表面能梯度，超疏水区域上的微小液滴被推进超亲水区域，进而提高水的收集效率。同时连续的亲水树形图案能在集水开始后形成连续的水运输通道，并从树形图案的各个枝干汇入主干，最终快速滴落，减少了再蒸发的损耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单方便、经济实惠的高效集水方法。结合亲水表面和疏水表面优点，加快了水滴的去除。凸起结构的气流集中液滴形成速度更快。凸起结构和图案化表面的结合实现了高效集水，在解决淡水资源紧缺的问题上有一定的应用潜能。

实现本发明目的的技术方案是：一种用于高效环境水汽俘获的带凸起图案化表面的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

A. 凸起阵列的制备：将4 cm×4 cm的0.3 mm厚的锌片置于凸模、凹模之间，而后通过压片机挤压，在锌片上制出凸起阵列，凸起高度为0.8 mm~1.2 mm，凸起直径为1.5 mm~2.5 mm，相邻凸起等间距排列，间距为7 mm；

B. 表面疏水层制备：将质量分数70%的H₃PO₄水溶液和无水乙醇以一定的体积比混合均匀，将带凸起的锌片和另一平整锌片分别置于该溶液中浸泡10 min~25 min，而后用去离子水洗净；配置0.84‰的NaHCO₃的水溶液作为电解液；将带凸起锌片作阳极，平整锌片作阴极，两电极间距5 cm在0.1 A恒定电流下阳极氧化60 min~180 min，取出带凸起的锌片分别用去离子水、无水乙醇清洗后吹干；然后将带凸起锌片置于一定质量分数的聚二甲基硅氧烷的正己烷溶液中浸泡10 s~20 s，取出放入75 ℃~200 ℃的烘箱中，热固化60 min~180min；

C. 亲水图案的制备：将带凸起的疏水锌片覆上掩膜；使用激光设备扫射得到亲水树形图案其枝干与主干夹角为45°，其枝干终点为凸起；激光扫射移动为20 mm/s，功率为20W，间距为0.02 mm。

作为优选，步骤B中70%H₃PO₄水溶液和无水乙醇的体积比为1∶2。

作为优选，步骤B中聚二甲基硅氧烷的正己烷溶液的质量分数为15%~30%。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1. 制备工艺简单，原料易得，成本低廉。

2. 该集水装置特殊的表面图案和凸起结构将水收集效率提高了75.01%。