[发明专利]一种具有图案化亲/疏水区协同集水的表面及制备方法

说明书

本发明属于金属表面改性领域，特别是一种具有图案化亲/疏水区协同集水的表面及制备方法。表面是在超疏水铜基底上构造具有树状阵列结构的超亲水图案，树状阵列结构由多个具有形状梯度的图案上下相连组成。包括如下步骤：对铜样品表面进行清洗；利用碱性溶液腐蚀洁净铜表面；对超亲水铜表面进行低表面能化学物质修饰；利用光纤激光在超疏水铜表面烧蚀具有树状结构的图案，得到超亲水图案，即得到亲/疏水区协同集水表面。本发明克服了单一亲水区域液滴大面积聚集、单一疏水区域液滴成核密度低等缺点；且超亲水图案具有形状梯度，表面垂直放置时，拉普拉斯应力和重力的双重作用驱动亲水区收集的液滴更快脱落离开表面，集水效率高。

技术领域

本发明属于金属表面改性领域，特别是一种具有图案化亲/疏水区协同集水的表面及制备方法。

背景技术

淡水资源短缺是当今社会面临的重要难题，因此设计高效水收集方案具有重要应用价值。近些年来，人们模仿动植物表面亲/疏水区域混合的集水方式，设计了一系列水收集装置。CN1872533A、CN207003543U、CN107700591A、CN104196084A等专利受甲壳虫的启发，在疏水基底上添加一系列亲水性凸起颗粒制作仿生集水装置。但由于亲水颗粒与疏水基底非同种材质，很容易出现脱落情况，导致集水效果受损。因此，要设计一种可长时间使用的具有亲/疏水区域的集水装置，需从表面制备方法上进行改进。

目前制备图案化亲/疏水复合表面的技术主要有光刻、喷覆、电镀等方法，但均各具有局限性。如光刻法制备效率较低，对制备环境要求较高，难以实现工业化大规模生产；喷覆法加工精度较低，难以加工高分辨率的复杂亲/疏水图案；电镀法则难以控制图案的具体形状，不能实现复杂图案加工。

近些年来随着激光加工技术的发展，精度也不断提高，这为在材料表面加工微结构带来技术上的突破。人们利用飞秒激光直写技术在不同基底上加工各种微纳米结构的亲/疏水表面。虽然该方法加工灵活且具有较高的自由度，但其加工成本高昂，加工效率低，不能进行大规模生产。专利CN108816702A利用激光烧蚀技术先在金属表面雕刻微-纳米复合结构，然后修饰一层低表面能物质得到超疏水膜，之后用激光二次烧蚀，获得具有叶脉状超亲水通道网络的超疏-超亲水自驱动集水表面。该表面的亲水区域虽然具有微米、毫米、厘米三个尺度跨度，但由于亲水区域总面积过大，表面张力强，收集到的液滴会汇聚在叶脉状底部，难以快速脱离表面，最终导致表面形成膜状冷凝，降低表面的水收集效率。专利CN201811599052利用脉冲激光扫描技术在不锈钢基底上加工超疏水-超亲水表面，该表面上超疏水区和超亲水区呈楔形或三角形交替排列。虽然该表面能够自动驱动液滴定向运输，但是液滴最终会在超亲水汇集区大量聚集，难以快速脱离表面，对表面集水效率的提高程度非常有限。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种具有图案化亲/疏水区协同集水的表面及制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种具有图案化亲/疏水区协同集水的表面，所述表面是在超疏水铜基底上构造具有树状阵列结构的超亲水图案，所述树状阵列结构由多个具有形状梯度的图案上下相连组成。

进一步的，所述具有形状梯度的图案为楔形或三角形，每个楔形或三角形底部宽度为0.1-5mm，高度为0.5-10mm，每列亲水图案的间距为0.1mm-4mm。

一种上述的具有图案化亲/疏水区协同集水表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对铜样品表面进行抛光去污除油清洗，得到干净的铜表面；

(2)利用碱性溶液腐蚀洁净铜表面，获得具有纳米结构的超亲水铜表面；

(3)对超亲水铜表面进行低表面能化学物质修饰，获得超疏水铜表面；