[发明专利]具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法

说明书

本发明提供一种具有规则凸起阵列、滑移表面的材料应用于水雾收集的方法。本发明包括氧化锌纳米棒、氢氧化铜纳米线的制备、聚二甲基硅氧烷(PDMS)的接枝等步骤。具有规则凸起阵列的滑移表面材料不仅具有极好的耐候性，在其表面涂覆硅油后具有较好的锁油能力，在长时间放置后仍具有稳定的滑动能力。除此之外，此滑动表面上表现出独特的微滴定向泵送，液滴不再依附于额外的能量输入、液滴凝结或合并，实现了微小液滴的定向运输。对于超亲水锥形铜针，垂直插入在凸起中心，促进液滴在凸起顶部凝结及运输，改善了雾气收集的整体过程。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，这类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，特别涉及两类具有耐候性的有规则凸起阵列、滑移表面的材料及超亲水锥形铜针及其水雾收集装置的制备方法。

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，水雾收集过程可以分为三部分：水滴的捕捉、水滴的供应(凝结)以及水滴的运输收集。然而，现在许多研究集中在水雾收集的某一个过程。现有的润湿性表面大多只能单向运输液滴，执行单一功能，无法实现多向操纵液滴和同时执行多个任务。一些依赖于液滴聚结或凝结生长来提供液滴驱动力的方法严重降低了这些表面在实际应用中的效率。另外，由于表面清洁度决定了它们在液滴操纵方面的性能，这些材料几乎不能回收利用。因此，仍需要寻求具有多功能液滴操纵能力的新型功能性润湿性表面，用于集水等应用。

控制滴降凝结对于集水系统是非常重要的。因此，设计能使液滴迅速增大并尽可能快地脱落的材料表面十分关键。然而，基于微尺度、纳米尺度或分子尺度结构的方法存在许多问题，这使得它很难同时优化液滴生长和运输。自然界中，昆虫和植物利用表面能量梯度或非对称几何生成驱动力，在不提供额外能量的情况的定向运输水。通常的集水系统无法输送直径在几百微米或更小的液滴。为了解决这个挑战，有两种可选的方法:要么提高驱动力或降低接触角滞后。相邻液滴的聚结可以用来产生这种增强的驱动力，因为表面积的减小释放了额外的做功能量，但由于其很大程度上不可控的特性以及对单个液滴的不适用性，使得其不能被广泛采用。或者，采用具有低接触角滞后的表面是一种优化方法。因此采用液体灌注表面，即固体材料表面引入一层液体，这将导致无缺陷的流体界面对水具有很好的滑动，可以改善以上问题。总之，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。

通过模板压片，在锌片上压出规则凸起，然后利用化学刻蚀法成功在锌片表面制备出氧化锌纳米棒。具有规则凸起的锌片从原始的疏水表面转变成超亲水表面。通过紫外光照射，将聚二甲基硅氧烷接枝到ZnO纳米棒上，从而使其变成超疏水表面。将粘度为10cst的硅油在1000-2000rpm转速下旋涂在超疏水表面。氧化锌与接枝的聚二甲基硅氧烷之间具有较强的作用力，使得具有规则凸起锌片表面的疏水性特别稳定。除了表面微纳结构对油层产生的毛细力，硅油与表面接枝的PDMS还具有分子间作用力，因此，表面的油层可以稳定存在。在不同的角度下(0°、30°、45°、60°、90°)进行水雾收集，60°角度下具有规则凸起、滑移表面收水效率最高。对比原始的平面锌片及原始具有规则凸起的锌片，水雾收集质量提升了大约242％和181％。与制备的单独的具有亲水锥形铜针和具有规则凸起、滑移表面材料相比较，将具有规则凸起阵列、滑移表面的材料与超亲水锥形铜针组装用于水雾收集，收集率大约为2.087g*h^-1*cm^-1。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，这种将具有规则凸起阵列、滑移表面的材料与超亲水锥形铜针组装在一起(锥形铜针垂直于插入到凸起中心)的水雾收集组合可以大规模推广。

发明内容