[发明专利]一种液滴靶向收集材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于化学仿生技术领域，具体涉及一种液滴靶向收集材料的制备方法及其应用。

背景技术

全球与饮用水缺乏有关的疾病正导致每20秒死亡一个儿童，全球一年因此牺牲150万条生命。水相当缺乏这一科学认知的事实已有很长时间，但新增需求又导致另一个疑问，至今存在的全球性饮用水危机是从何时开始的。在世界各地，慢性缺水正日积月累，比如中东地区，新增需求正考验着政治决策者，并可能成为新冲突诱因。如以色列，克服干旱已超过10年，其农业合理用水相当成功。由于淡水缺乏和海水淡化占需求的三分之一，政府被迫减少一半农业用水，并研究水的循环使用。非洲情况非常复杂，乍得湖为3000万人提供了水源，但仅在一代人的时间内，湖面已经缩小了十分之一，对此卫星图像清晰可见。

《自然杂志》登载的一篇研究文章指出了解决地球水危机的可行办法。饮用水只相当于地球水源的3%，其中2/3是冰川，目前正在因全球变暖而消融，冰川表面的水相当于饮用水的1%，或占总水源的0.03%，而0.03%中的2%是河流中的水。这份研究报告认为，气候变化正在导致水源缺乏，农业必须减少对水的消耗，比如在美国，农业用水占到可饮用水的40%。

海水淡化是一个耗费能源的过程，消毒技术又引起环境问题，而且还是一个经济问题，尤其对贫穷国家更甚。饮用水缺乏还是导致贫穷的原因之一，除此之外，所有病因中的6%是因为缺乏安全水和基础卫生。对联合国实现2015年目标所持悲观度不要感到吃惊，根据联合国秘书长在世界水日发表的一份文告，2015年，全球21亿人将得不到基础卫生保障，按照现在的节奏，撒哈拉以南非洲国家在2076年以前也无法实现联合国确定的目标。

自然界中的生物经过长期的进化过程获得了在极度缺水环境中生存的本领。仿生制备低能耗、高效率、环境友好的新型集水材料有望成为解决水资源匮乏问题的新途径。公开号CN102162191A的专利申请中公开了一种淡水收集纤维的制法，但是纤维材料是均匀的结，液滴在两个结处直接聚合直至坠落，没有传输的过程，集水效率不高，限制了所述淡水收集纤维在实际中的应用。

发明内容

针对现有技术中集水效率不高，无法满足广大缺水地区对水的需要，且成本高、不环保、应用局限性等的缺陷，本发明提出一种液滴靶向收集材料的制备方法及其应用，可以在高效的收集空气中的微小水滴的基础上，实现液滴的定向传输及靶向收集，更利于其实际应用。

本发明提出的一种液滴靶向收集材料的制备方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：纤维的固定：

将纤维一端固定，另一端水平穿过一个液槽后固定在电机上。纤维平均直径优选30～130μm，固定纤维前先用丙酮清洗纤维表面。

步骤二：制备质量分数为9～13%的聚合物溶液：

将聚合物添加至有机溶剂中，搅拌24h以上，得到澄清透明聚合物溶液，聚合物溶液质量百分比浓度为9～13%。所述的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺（DMA）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）或四氢呋喃中的任意一种；所述的溶质为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚四氟乙烯（PTFE）或聚偏氟乙烯（PVDF）中的任意一种。所述聚合物溶液中还可以加入挥发性溶剂，所述挥发性溶剂在聚合物溶液中的质量百分比为8～15%。

步骤三：变速提拉产生梯度突起节：

在液槽中浸满溶液，液面足以覆盖纤维，以±1～3mm/s²的加速度进行匀变速提拉，整个提拉过程，最大速率最好不超过6mm/s。

步骤四：干燥：

提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥5min以上，得到具有不同模式的大小梯度突起节的纤维。干燥条件优选为湿度为40%～80%，温度为20～30℃。

应用本发明提出的一种液滴靶向收集材料的制备方法得到液滴靶向收集材料，所述的液滴靶向收集材料可用于编织成仿生淡水采集纤维网，网格面积优选为0.25～1cm²，该仿生淡水采集纤维网在90%湿度下收集水滴时，水滴会在纤维上梯度突起节之间进行液滴的传输，最后靶向聚集到某点；所述的液滴靶向收集材料也可以应用于微流体装置中流体的定向传输；医学中靶向传输药物；物理领域的传感器和可逆开关等。

本发明具有的优点在于：

1、本发明提供的一种液滴靶向收集材料制备方法，过程简单，可操作性强，对环境无任何伤害；

2、本发明提供的一种液滴靶向收集材料制备方法，所使用的聚合物具有良好的户外稳定性，不易降解，耐用，可延长所述收集材料的使用年限；