[发明专利]具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水表面的锥形铜针用于水雾收集的方法

说明书

本发明提供具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水‑亲水表面的锥形铜针用于水雾收集的方法。本发明包括电沉积法制备具有纳米块状结构的铜表面、在电沉积后的铜针尖端制备氢氧化铜纳米线、有超疏水‑亲水集成表面的锥形铜针制备、具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料的制备、具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料作为基底与超疏水‑超亲水集成表面的锥形铜针组装在一起的水雾收集组合。每块基底组装一根铜针时的收集率约为9.05g/h，铜针数量为六根时的收集率约为14.19g/h。因此，基于稳定高效的水雾收集能力和材料表面长期稳定的润湿性，这种将亲水、滑移块体材料作为基底与超疏水‑超亲水集成表面的锥形铜针组装在一起的水雾收集组合可以大规模推广。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种制备具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水集成表面的锥形铜针用于水雾收集的方法。

背景技术

具有集水性能的材料近年来受到越来越多的关注。据报道，水资源短缺是人类未来面临的紧迫问题之一。如何快速有效地从潮湿的空气中收集水分成为一个挑战。众所周知，在沙漠或临海国家，雾一般存在于湿润的大气中。自然界中的生物进化出了利于集水的表面微观结构，这给了科学家们仿生研究的灵感。仙人掌揭示了一种独特的结合锥刺加速微小液滴运输的完整的水收集系统。此外，纳米布沙漠甲虫的背部由疏水蜡质区域和亲水非蜡质区域构成的凹凸不平的背部，为它们从空气中收集饮用水提供了便利。研究表明，利用生物仿生技术在结构特征上控制材料表面的集水能力，并结合物理化学性质，是一种可行的方法。特别是在物理和化学中的多梯度之间的结合(例如，几何形状产生的拉普拉斯压差、润湿梯度等)对促进液滴运输起着重要的作用。近年来，人们利用表面形状梯度、磁激励响应、不对称润湿性、以及各向异性多孔结构与温度响应润滑流体相结合的方法，试图解决高效水雾收集的问题，实现液滴的单向输运。事实上，在单个梯度力的作用下，液滴的快速移动总是难以实现，液滴的运输受到一定长度的限制。因此，如何设计一个优异的装置来提高水雾收集效率仍然是一个很大的挑战。

通过电沉积法在原始具有光滑表面的铜针表面沉积微纳块状结构的铜表面，用砂纸将电沉积针的尖端1cm长度的表面打磨至沉积铜消失。然后，将处理过的铜针尖端通过碱氨刻蚀在表面制备氢氧化铜纳米线，利用1-十八烷基硫醇/乙醇溶液修饰，成功制备出具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针表面。另外，通过将将分散的水和TiO₂纳米粒子溶液逐滴地加入到未固化的PDMS中制备具有多孔结构的硅胶块体材料，用砂纸(400目)打磨样品表面，成功制备出超疏水硅胶块体材料。将离子液体BMIMPF6旋涂在超疏水表面，获得具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料。该具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针不仅在室温下具有液体的定向运输行为(从尖端运输至超尾部)，而且具有良好的水雾收集能力，在不同的角度下(0°、10°、20°、-10°、-20°)进行水雾收集，在水平放置时的效率最佳，对比原始的铜针水雾收集质量提升了大约141％。与制备的单独的具有超疏水-亲水集成表面的锥形铜针、具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料相比较，将具有亲水、滑移表面的硅胶块体材料与超疏水-亲水集成表面的锥形铜针组合用于水雾收集，大大提高了水雾收集率。另外，在室温下放置很久后，制备的样品表面润湿性并未发生明显的变化。因此，基于稳定高效的水雾收集能力和材料表面长期稳定的润湿性，这种将亲水、滑移块体材料作为基底与超疏水-超亲水集成表面的锥形铜针组装在一起(锥形铜针垂直于基底表面放置)的水雾收集组合可以大规模推广。

发明内容