专利名称：仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝及其制备方法
技术领域：
本发明涉及仿生集水纤维及其制备方法，特别涉及仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝及其大规模连续化制备该聚合物丝的方法。
背景技术：
水资源匮乏不仅严重影响国民经济的可持续发展和国家生态安全，而且对人类的生存构成了很大的威胁。根据联合国环境规划署的数据，全球干旱地区的面积约占陆地总面积的41%。而在我国，干旱地区的面积也达到了 2. 5X 106km2，约占国土面积的1/4。并且，随着全球变暖所引起的气候异常，水资源匮乏的问题在有的地方也愈演愈烈。此外，有的沿海地区也因为面临淡水资源匮乏的局面，不得不耗费大量的能源进行海水淡化。然而与此同时，人们却注意到，即使是极度缺水的地区，在雾气中也含有大量的水分。因此，如果能够充分利用雾气中的水分，使其在某种条件下凝结并进行收集就有望在很大程度上解决 水资源匮乏的问题。人们在对自然界的观察及探索中发现，自然界中有的生物经过长期的进化过程能获得在极度缺水的环境中生存的本领。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。传统的集水材料一般是亲水的织物或者导热性质好的金属。例如，秘鲁政府为开发雾水资源，在该国西临太平洋的多雾地区设立了雾水收集站。雾水收集器用尼龙网制成，尼龙网支架下用一个大铁盘收集由雾水得到的水，每平方米尼龙网平均每天可以收集雾水20到50升。西班牙科学家还发明了一种由聚氨基甲酸乙酯制成的人造树，这种聚酯泡沫塑料吸水性能非常强，与雾的接触面积又很大，散热很快，因而能够凝聚大量的水分。无独有偶，我国许多生活在多雾气候地区的居民也已经开始用类似的传统集水材料从雾气中收集淡水。但是，上述这些集水方法的效率都不是很高，且有的集水成本却很高，无法满足缺水地区的人们对水的需要，另外大量使用聚丙烯等难降解的塑料又会对环境造成危害。
发明内容
本发明的目的之一是克服现有集水方法的集水效率不高，无法满足广大缺水地区人们对水的需求，且还存在着集水成本高，对环境不友好的缺陷，基于对自然界中天然蜘蛛丝集水现象的研究，模仿蜘蛛丝的周期性纺锤结结构，提供一种集水效率高、成本低廉、制备简单的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝。本发明的另一目的是提供目的一的仿蜘蛛丝结构集水聚合物丝的大规模连续化的制备方法。本发明是从自然界中的蜘蛛丝被晶莹的水滴装饰的现象受到启发的，通过对蜘蛛丝微观结构的观察，利用聚合物溶液涂覆人造丝形成包裹人造丝的聚合物液膜，之后聚合物液膜演化(break)成纺锤结，由此仿生制备得到了具有类似蜘蛛丝的周期性排列的纺锤结结构的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝(如图2所示)。
本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝的表面具有类似蜘蛛丝的沿聚合物丝的轴向方向取向的周期性排列的纺锤结结构，该周期性排列的纺锤结结构使所述聚合物丝的表面获得了粗糙结构。本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝是通过将普通人造丝浸入到含有聚合物的良溶剂和不良溶剂混合的聚合物溶液中，然后将所述人造丝从所述聚合物溶液中沿着人造丝的轴向方向水平拉出(可利用电机的转动匀速平稳的进行牵引所述人造丝)，进而使所述人造丝的表面带出一定量的聚合物溶液，所带出的聚合物溶液包裹在所述的人造丝的表面并形成液膜；随后由于瑞利不稳定性(Rayleigh instability),导致在所述人造丝表面上的聚合物溶液的液膜演化(break)成一串液滴悬挂在所述人造丝上；通过调节环境湿度和温度，使悬挂在所述的人造丝上的这些聚合物液滴干燥，从而在所述人造丝的表面形成了周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结，并且这些沿着所述人造丝的轴向方向取向排列的纺锤结，在所述的人造丝的表面构造出粗糙结构，进而仿生制备得到了类似蜘蛛丝结构的聚合物丝。本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝(如图2所示)，是在人造丝的表面包裹有 一层聚合物膜，并且沿着所述人造丝的轴向方向取向上由所述的聚合物膜演化(break)出一串周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结，该纺锤结结构在所述的人造丝的表面构造出粗糙结构，形成具有类似蜘蛛丝结构的集水聚合物丝。所述的人造丝的直径为10 Ii m 1000 V- m,优选直径为10 ii m 40 ii m。所述的人造丝选自尼龙纤维、丙纶纤维、氨纶纤维、碳纤维、玻璃纤维和金属丝中的一种。所述的金属丝可选自铜丝、铁丝和镍丝等中的一种。所述的聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)、聚乙烯醇(PVA)、聚碳酸酯(PC)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等所组成的组中的至少一种。所述的聚合物中还包括有选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂和抗氧化剂中的一种或多种。所述的紫外线稳定剂为双(2，2，6，6_四甲基哌啶基)癸二酸酯(商品名为光稳定剂770)，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的聚合物溶液中的含量为0. 8wt % o所述的紫外线吸收剂为2-氰基-3，3- 二苯基丙烯酸2-乙基己酯，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的0. 3%。所述的臭氧稳定剂为苯酹三嗪,其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的0. 1%。所述的抗氧化剂为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酹(商品名UltranoxTM226),其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的I. 3%。本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝的制备方法包括以下步骤(I)将普通人造丝浸入到含有聚合物的良溶剂和不良溶剂混合的聚合物溶液中，其中，聚合物溶液中的聚合物的质量百分含量为3% 15% (优选质量百分含量为7% 11% )，不良溶剂的质量百分含量为0.5% 3% (优选质量百分含量为1% 1.5% )，余量为良溶剂；
(2)将步骤(I)浸入到聚合物溶液中的所述的人造丝沿着人造丝的轴向方向匀速平稳的从聚合物溶液中水平拉出，得到被所述的聚合物溶液的液膜所包裹的所述的人造丝；(3)将步骤(2)得到的被所述的聚合物溶液的液膜所包裹的所述的人造丝水平悬挂于温度为10 40°C (优选温度为25 30°C )，相对湿度为30 80% (优选相对湿度为40 70%)的环境中进行干燥，得到本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝(如图2所示)；其是人造丝的表面包裹有一层聚合物膜，并且沿着所述人造丝的轴向方向取向上由所述的聚合物膜演化(break)出一串周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结，该纺锤结结构在所述的人造丝的表面构造出粗糙结构，形成具有类似蜘蛛丝结构的集水聚合物丝。所述的将人造丝沿着人造丝的轴向方向匀速平稳的从聚合物溶液中水平拉出，是将所述的人造丝的一端与电机连接，然后调节所述的电机的旋转速度，利用电机的转动匀速平稳的牵引所述人造丝(如图I所示)。所述的人造丝从聚合物溶液中水平拉出的速度为I 14mm/s ;优选速度为5 9mm/s。所述的人造丝的直径为10 ii m 1000 u m,优选直径为10 ii m 40 ii m。所述的人造丝选自尼龙纤维、丙纶纤维、氨纶纤维、碳纤维、玻璃纤维和金属丝中的一种。所述的金属丝可选自铜丝、铁丝和镍丝等中的一种。所述的聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)、聚乙烯醇(PVA)、聚碳酸酯(PC)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等所组成的组中的至少一种。所述的聚合物溶液中还包括有选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂和抗氧化剂中的一种或多种。所述的紫外线稳定剂为双(2，2，6，6_四甲基哌啶基)癸二酸酯(商品名为光稳定剂770)，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的聚合物溶液中的含量为
0.8wt % o所述的紫外线吸收剂为2-氰基-3，3- 二苯基丙烯酸2-乙基己酯，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的0. 3%。所述的臭氧稳定剂为苯酹三嗪,其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的0. 1%。所述的抗氧化剂为2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚(商品名UltranoxTM226)，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的I. 3%。所述的良溶剂选自N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)、N，N- 二甲基乙酰胺(DMAc)、四氢呋喃(THF)、氯仿(CHCl3)、甲苯和二甲苯所组成的组中的至少一种。所述的不良溶剂选自乙醇、水、丙酮、甲醇、异丙醇和甲基丁酮所组成的组中的至少一种。本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝可用于收集雾水，且具有较高的雾水收集效率。这一功能来自于类似天然蜘蛛丝的周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结。从单个纺锤结来看，由于包裹有聚合物的人造丝的纺锤结部位的直径大于没有纺锤结部位的直径，导致凝结在聚合物丝上的液滴在纺锤结部位所受到的拉普拉斯压与没有纺锤结部位所受到的拉普拉斯压不平衡，且出现一个指向纺锤结部位的拉普拉斯压差，该拉普拉斯压差驱动凝结在没有纺锤结部位的小液滴向纺锤结部位运动；另一方面，由于在制备仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时，在聚合物溶液中有不良溶剂的存在，使在干燥表面包裹有一层聚合物膜的普通人造丝的过程中，自发形成沿人造丝轴向方向取向的纺锤结部位的粗糙度大于没有纺锤结部位的粗糙度，这种粗糙结构不同于所 形成的表面能梯度又导致凝结在包裹有聚合物的人造丝上的液滴，在纺锤结部位与没有纺锤结部位的浸润性出现差异，亲水性聚合物形成的纺锤结使得纺锤结部位对水的亲和性大于没有纺锤结部位对水的亲和性，最终导致液滴在不平衡的表面能梯度下向纺锤结部位运动。在表面拉普拉斯压差与表面能梯度的共同作用下，本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝能够快速地捕获空气中的雾滴，并且利用纺锤结构和表面取向结构，将所捕获的液滴定向输运到所述仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝上的纺锤结的位置，如图3中箭头所示；新露出来的表面又可以开始下一轮的雾水传输过程，从而实现了快速、连续的雾水收集，如图3中圆圈所示。本发明与现有技术相比，所具有的效果还在于(I)本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝的成本低廉，具有良好的户外稳定性，使用年限长，集水效率高且集水量大。(2)本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝可连续的大规模化进行制备。(3)本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝的应用操作简单，因此可以应用于如近海地区的沙漠、海岛、远洋船只和多雾山区等干旱多雾地区以及沿海少雨地区的雾气收集，用以收集淡水。(4)通过在制备本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝的聚合物中添加紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂、抗氧化剂等，使得本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝不易降解，更为耐用，可延长使用年限。
图I.本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝的一种大规模连续化进行制备的方法示意图。图2.本发明的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝。图3.本发明实施例I中制备得到的典型的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝置于雾气中发生的集水过程示意图。
具体实施例方式下面结合实施例进一步对本发明进行说明，但所列举的实施例中所用到的具体材料和用量以及其它工艺条件不应该认为是对本发明的限制。实施例中的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝的集水能力的表征，是在德国产的Dataphysics 0CA40视频接触角测量仪上进行的；雾气气氛由北京产的YADU超声波加湿器(35W)提供；聚合物PMMA、PS、PVDF, PVAc,PVA, PC、PVP购自阿法埃莎(天津)化学有限公司；良溶剂DMF、DMAc, THF、CHC13、甲苯、二甲苯，以及不良溶剂乙醇、丙酮、甲醇、异丙醇、甲基丁酮均购自北京化学试剂公司。实施例中用到的人造丝购自于南通九州化纤有限公司。
实施例I.具有PMMA纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水纤维的制备(I)配制含有紫外线稳定剂双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯的质量分数为3%的PMMA的DMF和水的混合溶液，其中紫外线稳定剂双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯在PMMA的DMF和水的混合溶液中的质量分数为0. 8wt %，水在PMMA的DMF和水的混合溶液中的质量分数为0. 5wt%，余量为DMF ；(2)将直径为10 y m的人造尼龙纤维完全浸没入步骤(I)得到的含有紫外线稳定剂双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯的质量分数为3%的PMMA的DMF和水的混合溶液中，调节尼龙纤维一端所连接的电机的旋转速度，使尼龙纤维以lmm/s的速度沿着尼龙纤维的轴向方向匀速平稳的从上述混合溶液中水平拉出(如图I所示)，得到由含有紫外线稳定剂双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯的PMMA的DMF和水的混合溶液的液膜所包裹的尼龙纤维；(3)将步骤⑵得到的被含有紫外线稳定剂双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯的PMMA的DMF和水的混合溶液的液膜所包裹的尼龙纤维水平悬挂于温度为10°C，相对湿 度为30%的环境中干燥，得到具有PMMA纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PMMA纤维。所得的具有PMMA纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PMMA纤维是由人造尼龙纤维作为主丝，其表面包裹有一层PMMA膜，并且沿着所述人造尼龙纤维的轴向方向取向上由所述的PMMA膜演化出一串周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结，如图2所示；并且由于不良溶剂水的存在，在干燥过程中，该纺锤结结构自发形成沿尼龙纤维的轴向方向取向，在所述的人造尼龙纤维的表面构造出粗糙结构，形成具有类似蜘蛛丝结构的集水PMMA纤维。这种具有PMMA纺锤结的集水PMMA纤维能够连续、快速地从雾气中收集水分，如图3所示。将所得具有PMMA纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PMMA纤维置于北京产的YADU超声波加湿器模拟的雾气气氛中，利用德国产的Dataphysics 0CA40视频接触角测量仪，对所得的具有PMMA纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PMMA纤维进行集水能力的表征。在雾气流速为大约75cm/s的情况下，每米单根丝的集水量为2. 5至7毫升每小时。实施例2.具有PS纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水纤维的制备(I)配制含有抗氧化剂2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚的质量分数为15%的PS的DMAc和乙醇的混合溶液，其中抗氧化剂2，6- 二叔丁基-4-甲基苯酚的加入量是PS的DMAc和乙醇的混合溶液重量的I. 2%，乙醇在PS的DMAc和乙醇的混合溶液中的质量分数为3wt%，余量为 DMAc ；(2)将直径为1000 u m的人造丙纶纤维完全浸没入步骤(I)得到的含有抗氧化剂
2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的质量分数为15%的PS的DMAc和乙醇的混合溶液中，调节丙纶纤维一端所连接的电机的旋转速度，使丙纶纤维以14mm/s的速度沿着丙纶纤维的轴向方向匀速平稳的从上述混合溶液中水平拉出(如图I所示)，得到由含有抗氧化剂2，6_ 二叔丁基-4-甲基苯酚的PS的DMAc和乙醇的混合溶液的液膜所包裹的丙纶纤维；(3)将步骤⑵得到的被含有抗氧化剂2，6- 二叔丁基-4-甲基苯酚的PS的DMAc和乙醇的混合溶液的液膜所包裹的丙纶纤维水平悬挂于温度为40°C，相对湿度为80%的环境中干燥，得到具有PS纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PS纤维。所得的具有PS纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PS纤维是由人造丙纶纤维作为主丝，其表面包裹有一层PS膜，并且沿着所述人造丙纶纤维的轴向方向取向上由所述的PS膜演化出一串周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结，如图2所示；并且由于不良溶剂乙醇的存在，在干燥过程中，该纺锤结结构自发形成沿丙纶纤维的轴向方向取向，在所述的人造丙纶纤维的表面构造出粗糙结构，形成具有类似蜘蛛丝结构的集水PS纤维。这种具有PS纺锤结的集水PS纤维能够连续、快速地从雾气中收集水分。将所得具有PS纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PS纤维置于北京产的YADU超声波加湿器模拟的雾气气氛中，利用德国产的Dataphysics OCA 40视频接触角测量仪，对所得的具有PS纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PS纤维进行集水能力的表征。在雾气流速为大约75cm/s的情况下，每米单根丝的集水量为2至8毫升每小时。实施例3.具有PVDF纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水纤维的制备(I)配制含有抗氧化剂2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚，紫外线吸收剂2-氰基-3， 3- 二苯基丙烯酸2-乙基己酯的质量分数为9%的PVDF的THF和丙酮的混合溶液，其中抗氧化剂2，6- 二叔丁基-4-甲基苯酚的加入量是PVDF的THF和丙酮的混合溶液重量的0. 8%，紫外线吸收剂2-氰基-3，3- 二苯基丙烯酸2-乙基己酯的加入量是PVDF的THF和丙酮的混合溶液重量的0. 2%，丙酮在PVDF的THF和丙酮的混合溶液中的质量分数为I. 5wt%，余量为THF ；(2)将直径为200 u m的人造氨纶纤维完全浸没入步骤(I)得到的含有抗氧化剂
2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、紫外线吸收剂2-氰基-3，3- 二苯基丙烯酸2-乙基己酯的质量分数为9%的PVDF的THF和丙酮的混合溶液中，调节氨纶纤维一端所连接的电机的旋转速度，使氨纶纤维以9mm/s的速度沿着氨纶纤维的轴向方向匀速平稳的从上述混合溶液中水平拉出(如图I所示)，得到由含有抗氧化剂2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚、紫外线吸收剂2-氰基-3，3- 二苯基丙烯酸2-乙基己酯的PVDF的THF和丙酮的混合溶液的液膜所包裹的氨纶纤维；(3)将步骤⑵得到的被含有抗氧化剂2，6_ 二叔丁基-4-甲基苯酚、紫外线吸收剂2-氰基-3，3- 二苯基丙烯酸2-乙基己酯的PVDF的THF和丙酮的混合溶液的液膜所包裹的氨纶纤维水平悬挂于温度为20°C，相对湿度为50%的环境中干燥，得到具有PVDF纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVDF纤维。所得的具有PVDF纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVDF纤维是由人造氨纶纤维作为主丝，其表面包裹有一层PVDF膜，并且沿着所述人造氨纶纤维的轴向方向取向上由所述的PVDF膜演化出一串周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结；并且由于不良溶剂丙酮的存在，在干燥过程中，该纺锤结结构自发形成沿氨纶纤维的轴向方向取向，在所述的人造氨纶纤维的表面构造出粗糙结构，形成具有类似蜘蛛丝结构的集水PVDF纤维。这种具有PVDF纺锤结的集水PVDF纤维能够连续、快速地从雾气中收集水分。将所得具有PVDF纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVDF纤维置于北京产的YADU超声波加湿器模拟的雾气气氛中，利用德国产的Dataphysics OCA 40视频接触角测量仪，对所得的具有PVDF纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVDF纤维进行集水能力的表征。在雾气流速为大约75cm/s的情况下，每米单根丝的集水量为I. 3至11. 7毫升每小时。实施例4.具有PVAc纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水纤维的制备(I)配制质量分数为10%的PVAc的CHCl3和甲醇的混合溶液，其中甲醇在PVAc的CHCl3和甲醇的混合溶液中的质量分数为2. Owt%，余量为CHCl3 ；
(2)将直径为100 U m的人造碳纤维完全浸没入步骤(I)得到的质量分数为10%的PVAc的CHCl3和甲醇的混合溶液中，调节碳纤维一端所连接的电机的旋转速度，使碳纤维以5mm/s的速度沿着碳纤维的轴向方向勻速平稳的从上述混合溶液中水平拉出(如图I所示)，得到由PVAc的CHCl3和甲醇的混合溶液的液膜所包裹的碳纤维；(3)将步骤⑵得到的由PVAc的CHCl3和甲醇的混合溶液的液膜所包裹的碳纤维水平悬挂于温度为40°C，相对湿度为60%的环境中干燥，得到具有PVAc纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVAc纤维。所得的具有PVAc纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVAc纤维是由人造碳纤维作为主丝，其表面包裹有一层PVAc膜，并且沿着所述人造碳纤维的轴向方向取向上由所述的PVAc膜演化出一串周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结；并且由于不良溶剂甲醇的存在，在干燥过程中，该纺锤结结构自发形成沿碳纤维的轴向方向取向，在所述的人造碳纤维的表面构造出粗糙结构，形成具有类似蜘蛛丝结构的集水PVAc纤维。这种具有PVAc纺锤结的集 水PVAc纤维能够连续、快速地从雾气中收集水分。将所得具有PVAc纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVAc纤维置于北京产的YADU超声波加湿器模拟的雾气气氛中，利用德国产的Dataphysics OCA 40视频接触角测量仪，对所得的具有PVAc纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVAc纤维进行集水能力的表征。在雾气流速为大约75cm/s的情况下，每米单根丝的集水量为4. 9至15. 3毫升每小时。实施例5.具有PVA纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水纤维的制备(I)配制质量分数为11%的PVA的甲苯和异丙醇的混合溶液，其中异丙醇在PVA的甲苯和异丙醇的混合溶液中的质量分数为2. 5wt%，余量为甲苯；(2)将直径为500 的人造玻璃纤维完全浸没入步骤(I)得到的质量分数为11%的PVA的甲苯和异丙醇的混合溶液中，调节玻璃纤维一端所连接的电机的旋转速度，使玻璃纤维以12mm/s的速度沿着玻璃纤维的轴向方向匀速平稳的从上述混合溶液中水平拉出(如图I所示)，得到由PVA的甲苯和异丙醇的混合溶液的液膜所包裹的玻璃纤维；(3)将步骤(2)得到的由PVA的甲苯和异丙醇的混合溶液的液膜所包裹的玻璃纤维水平悬挂于温度为25°C，相对湿度为50%的环境中干燥，得到具有PVA纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVA纤维。所得的具有PVA纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVA纤维由人造玻璃纤维作为主丝，其表面包裹有一层PVA膜，并且沿着所述人造玻璃纤维的轴向方向取向上由所述的PVA膜演化出一串周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结；并且由于不良溶剂异丙醇的存在，在干燥过程中，该纺锤结结构自发形成沿玻璃纤维的轴向方向取向，在所述的人造玻璃纤维的表面构造出粗糙结构，形成具有类似蜘蛛丝结构的集水PVA纤维。这种具有PVA纺锤结的集水PVA纤维能够连续、快速地从雾气中收集水分。将所得具有PVA纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVA纤维置于北京产的YADU超声波加湿器模拟的雾气气氛中，利用德国产的Dataphysics OCA 40视频接触角测量仪，对所得的具有PVA纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PVA纤维进行集水能力的表征。在雾气流速为大约75cm/s的情况下，每米单根丝的集水量为I. 7至9. 4毫升每小时。实施例6.具有PC纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水纤维的制备(I)配制质量分数为13%的PC的二甲苯和甲基丁酮的混合溶液，其中甲基丁酮在PC的二甲苯和甲基丁酮的混合溶液中的质量分数为3wt%，余量为二甲苯；(2)将直径为300 的金属铜丝完全浸没入步骤(I)得到的质量分数为13%的PC的二甲苯和甲基丁酮的混合溶液中，调节金属铜丝一端所连接的电机的旋转速度，使金属铜丝以7mm/s的速度沿着金属铜丝的轴向方向勻速平稳的从上述混合溶液中水平拉出(如图I所示)，得到由PC的二甲苯和甲基丁酮的混合溶液的液膜所包裹的金属铜丝；(3)将步骤(2)得到的由PC的二甲苯和甲基丁酮的混合溶液的液膜所包裹的金属铜丝水平悬挂于温度为30°C，相对湿度为40%的环境中干燥，得到具有PC纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PC纤维。所得的具有PC纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PC纤维是由金属铜丝作为主丝，其表面包裹有一层PC膜，并且沿着所述金属铜丝的轴向方向取向上由所述的PC膜演化出一串周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结；并且由于不良溶剂甲基丁酮的存在，在干燥过程中，该纺锤结结构自发形成沿金属铜丝的轴向方向取向，在所述的金属铜丝的表面构造出 粗糙结构，形成具有类似蜘蛛丝结构的集水PC纤维。这种具有PC纺锤结的集水PC纤维能够连续、快速地从雾气中收集水分。将所得具有PC纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PC纤维置于北京产的YADU超声波加湿器模拟的雾气气氛中，利用德国产的Dataphysics OCA 40视频接触角测量仪，对所得的具有PC纺锤结的仿蜘蛛丝结构的集水PC纤维进行集水能力的表征。在雾气流速为大约75cm/s的情况下，每米单根丝的集水量为I. 5至12. 3毫升每小时。
权利要求
1.一种仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝，其特征是所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝是在人造丝的表面包裹有一层聚合物膜，并且沿着所述人造丝的轴向方向取向上由所述的聚合物膜演化出一串周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结，该纺锤结结构在所述的人造丝的表面构造出粗糙结构，形成具有蜘蛛丝结构的集水聚合物丝。
2.根据权利要求I所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝，其特征是所述的人造丝的直径为10 y m 1000 u m。
3.根据权利要求I或2所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝，其特征是所述的人造丝选自尼龙纤维、丙纶纤维、氨纶纤维、碳纤维、玻璃纤维和金属丝中的一种。
4.根据权利要求I所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝，其特征是所述的聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚碳酸酯和聚乙烯吡咯烷酮所组成的组中的至少一种。
5.根据权利要求I或4所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝，其特征是所述的聚合物中包括有选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂和抗氧化剂中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝，其特征是所述的紫外线稳定剂为双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的聚合物溶液中的含量为0. 8wt% ； 所述的紫外线吸收剂为2-氰基-3，3- 二苯基丙烯酸2-乙基己酯，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的0. 3% ； 所述的臭氧稳定剂为苯酹三嗪，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的0. 1% ; 所述的抗氧化剂为2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的I. 3%。
7.一种根据权利要求I 6任意一项所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤 (1)将人造丝浸入到含有聚合物的良溶剂和不良溶剂混合的聚合物溶液中，其中，聚合物溶液中的聚合物的质量百分含量为3% 15%，不良溶剂的质量百分含量为0. 5% 3 %，余量为良溶剂； (2)将步骤(I)浸入到聚合物溶液中的所述的人造丝沿着人造丝的轴向方向匀速平稳的从聚合物溶液中水平拉出，得到被所述的聚合物溶液的液膜所包裹的所述的人造丝； (3)将步骤(2)得到的被所述的聚合物溶液的液膜所包裹的所述的人造丝水平悬挂于温度为10 40°C，相对湿度为30 80%的环境中进行干燥，得到在人造丝的表面包裹有一层聚合物膜，并且沿着所述人造丝的轴向方向取向上由所述的聚合物膜演化出一串周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结，该纺锤结结构在所述的人造丝的表面构造出粗糙结构，形成具有蜘蛛丝结构的集水聚合物丝； 所述的良溶剂选自N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、氯仿、甲苯和二甲苯所组成的组中的至少一种； 所述的不良溶剂选自乙醇、水、丙酮、甲醇、异丙醇和甲基丁酮所组成的组中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是所述的聚合物溶液中的聚合物的质量百分含量为7% 11%，不良溶剂的质量百分含量为1% 1.5%，余量为良溶剂。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是所述的将人造丝沿着人造丝的轴向方向匀速平稳的从聚合物溶液中水平拉出，是将所述的人造丝的一端与电机连接，然后调节所述的电机的旋转速度，利用电机的转动匀速平稳的牵引所述人造丝。
10.根据权利要求7或9所述的制备方法，其特征是所述的人造丝从聚合物溶液中水平拉出的速度为I 14mm/s。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是所述的人造丝的直径为10y m 1000 Ii m。
12.根据权利要求7或11所述的制备方法，其特征是所述的人造丝选自尼龙纤维、丙纶纤维、氨纶纤维、碳纤维、玻璃纤维和金属丝中的一种。
13.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是所述的聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚碳酸酯和聚乙烯吡咯烷酮所组成的组中的至少一种。
14.根据权利要求7或13所述的制备方法，其特征是所述的聚合物中包括有选自紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、臭氧稳定剂和抗氧化剂中的一种或多种。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征是所述的紫外线稳定剂为双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的聚合物溶液中的含量为0. 8wt% ； 所述的紫外线吸收剂为2-氰基-3，3- 二苯基丙烯酸2-乙基己酯，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的0. 3% ; 所述的臭氧稳定剂为苯酹三嗪，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的0. 1% ; 所述的抗氧化剂为2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚，其在制备所述的仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝时的加入量小于聚合物溶液重量的I. 3%。
全文摘要
本发明涉及仿蜘蛛丝结构的集水聚合物丝及其制备方法。本发明通过将普通人造丝浸入到含有聚合物的良溶剂和不良溶剂混合的聚合物溶液中，然后将人造丝从聚合物溶液中沿着人造丝的轴向方向水平拉出，进而使聚合物溶液包裹在人造丝的表面并形成液膜；随后由于瑞利不稳定性，导致在所述人造丝表面上的聚合物溶液的液膜演化(break)成一串液滴悬挂在所述人造丝上；通过调节环境湿度和温度，使悬挂在所述人造丝上的这些聚合物液滴干燥，从而在所述人造丝的表面形成了周期性排列的结构为纺锤形的纺锤结，并且这些沿着所述人造丝的轴向方向取向排列的纺锤结，在所述人造丝的表面构造出粗糙结构，进而仿生制备得到了类似蜘蛛丝结构的集水聚合物丝。
文档编号D06M15/263GK102776785SQ201110223679
公开日2012年11月14日 申请日期2011年8月5日 优先权日2011年5月13日
发明者孙瑞泽, 徐国栋, 柏浩, 江雷, 郑咏梅, 鞠婕 申请人:中国科学院化学研究所