一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，属于功能材料【技术领域】，所述仿生构筑方法包括：模板的制备、PDMS的制备、磁性粒子在模板中分散、PDMS向模板浇铸成模、PDMS固化、磁性圆锥阵列的磁化以及溶解模板法脱模等步骤。本发明的制备方法流程简单，通过常见的模板法制备出具有较强磁响应性、可用于高效连续集雾的圆锥形集雾材料阵列。采用本方法制得的磁响应性集雾材料在磁场作用下的集雾效率要远高于其在静止状态下的雾水收集效率，并且该材料具有较高的稳定性，可广泛应用于科研，环保，生物等重要领域。
【专利说明】一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法
【技术领域】
[0001]本发明属于功能材料【技术领域】，具体涉及一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，解决了现有的必须在雾气流条件下才能高效、持续集水的技术问题。
【背景技术】
[0002]水是人类赖以生存和发展的物质基础，全球水资源存在的两大主要问题为水资源匮乏和水体污染严重。为解决严峻的水形势，世界各国纷纷转向非传统水资源的开发，如污水再生，海水淡化和潜在水的利用等等。目前，雾气作为一种潜在的水资源，其收集和利用越来越受到各界科研工作者的广泛关注。受自然界生物仙人掌和蜘蛛丝的启发，科研工作者们研究发明了多种类仙人掌刺和类蜘蛛丝结构的集雾器件来缓解水资源匮乏的危机。这些器件能将雾气转化成可用水并实现水的定向输运的因素主要有两个:一是器件表面具有表面能梯度，二是器件结构可以产生拉普拉斯压差。然而，此类器件通常是在雾气流条件下实现高效连续雾气收集的，这不能很好适应自然环境中有雾无风的情况。因此，如何改善现有方法中存在的缺陷已经成为本领域研究人员急待解决的问题。
【发明内容】
[0003]针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，用于实现在静止雾气氛中集雾的过程，该方法制备流程简单，利用模板法可大规模复形制备出整齐规则的磁性圆锥阵列，通过磁铁驱动其运动，实现了在静止的雾气氛中高效连续的雾气收集。
[0004]本发明提出一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，具体包括以下几个步骤:
[0005](I)模板的制备:在基底上机械压制出一个倒圆锥形孔组成的阵列；
[0006](2)聚二甲基硅氧烷(PDMS)的制备:取一个烧杯，将PDMS本体与固化剂按照特定比例倒入烧杯中，用玻璃棒进行充分搅拌，待搅拌均匀后将烧杯放入真空干燥器中除气备用；
[0007](3)将磁性粒子添加到步骤(I)中制备好的模板上表面，机械震荡使磁性粒子均匀分散到孔阵列内，分散后将模板表面残余的磁性离子擦掉；
[0008](4)取出步骤(2)中制备好的PDMS，将其浇铸在含有磁性粒子的模板上，然后将模板置于真空干燥器中除气。为了得到磁化的圆锥阵列，除气的过程中要将一块永磁铁置于模板的正下方；
[0009](5)取出步骤(4)中处理好的模板，置于烘箱中固化。一般优选固化条件为在80°C下固化2?6h。
[0010](6)将步骤(5)中固化好的模板取出后，脱模，得到圆锥形磁响应性集雾材料阵列，可以实现在静止雾气氛中进行雾水收集。
[0011]本发明的优点在于:
[0012]1、本发明提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，制备方法简单，原料易得，成本低廉。
[0013]2、本发明提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，可用于无气流扰动情况下的静止雾气的高效持续收集，净化空气中的雾霾，去除厂房中的油雾，在环保等领域都具有广泛应用。
[0014]3、本发明提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，该方法所制得的圆锥阵列无污染，可循环使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1:本发明提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法流程图；
[0016]图2:采用本发明方法制备的磁响应性集雾材料的低倍电镜照片(SEM)；
[0017]图3:采用本发明方法制得的磁响应性集雾材料中一根锥刺在静止状态下收集雾气的照片；
[0018]图4:采用本发明方法制得的磁响应性集雾材料中一根锥刺在一定时间段内磁驱动摆动收集雾气并将雾气转化成的液滴定向输运的照片。
【具体实施方式】
[0019]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0020]本发明提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，如图1所示，该方法包括以下几个步骤:
[0021](I)模板的制备:在透明的PVC板基底(PVC板的尺寸优选为15mmX 15mmX 6mm)上机械压制出一个由倒圆锥形孔形成的阵列(阵列中孔的参数优选为孔深3mm，孔的最大直径500 μ m?720 μ m,每两个孔间的距离为400 μ m?750 μ m)。
[0022](2)PDMS的制备:取一个10mL烧杯，将PDMS本体与固化剂按照特定比例倒入其中(PDMS本体与固化剂的质量比为5:1?20:1，优选为10:1)，用玻璃棒进行充分搅拌，待搅拌均匀后将其放入真空干燥器中除气(30?60min)备用；
[0023](3)将磁性粒子添加到步骤(I)中制备好的模板内，机械震荡使磁性粒子均匀分散到模板的孔阵列内，分散后将模板表面上残余的磁性粒子擦掉；
[0024]所述的磁性粒子可以是钴粒子、四氧化三铁粒子或钕铁硼等磁响应性粒子，磁性粒子的粒径一般为20nm?2 μ m。
[0025](4)取出步骤(2)中制备好的PDMS，将其浇铸在含有磁性粒子的模板上，然后置于真空干燥器中除气(30?60min)，为了得到磁化的集雾材料，除气的过程中要将模板水平放置，并将一块永磁铁(场强0.9T)置于模板平面的正下方。
[0026](5)取出步骤⑷中处理好的模板，置于烘箱中在80°C温度下固化2?6h，在固化过程中要保证烘箱及烘箱内模板处于水平位置，这样可以保证固化后TOMS的表面水平，即各处的PDMS厚度均匀。
[0027](6)溶解模板法进行脱模，具体为:将步骤(5)中固化好的模板取出后，放入一10mL封口瓶中，再向封口瓶中加入50?80mL分析纯的四氢呋喃，封好瓶盖，在常温下放置24?48h，至模板溶解后将磁性圆锥阵列从封口瓶中取出，用四氢呋喃清洗2?3次，再将其置于烘箱中干燥(在80°C的烘箱中干燥15?30min)，得到本发明的圆锥形磁响应性集雾材料阵列(阵列优化参数为圆锥高3mm，锥底直径500 μ m,每两根锥刺的锥底部边缘之间的间距为400 μ m)，可以实现在静止雾气氛中的雾水收集。
[0028]采用本发明提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法处理的磁性圆锥阵列如图2所示，用模板法制备的磁性圆锥阵列整齐，规则，同时具有较为粗糙的表面。采用本发明方法制备的磁性圆锥阵列有较强的磁响应性，可以在磁场的作用下灵活摆动，并且在磁场撤离后又会恢复到最初的竖直状态，具有良好的可逆性。选取阵列中的一根磁性锥刺为研究对象，图3、4所示分别为在一定时间(60min)内静止锥刺的集雾量和在相同条件下相同时间，采用本发明方法得到的磁性锥刺在磁场作用下摆动收集到的雾气的量。通过对比可以发现，磁驱动下摆动的锥刺具有更大的集雾量，因此，本发明仿生构筑了具有磁响应性集雾材料的阵列来实现在静止雾气氛中大规模、高通量的雾水收集。
[0029]实施例1
[0030]本实施例提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，该方法包括以下几个步骤:
[0031](I)模板的制备:在透明的聚氯乙烯(PVC)板(尺寸为15mmX 15mmX6mm)上机械压制出一个由倒圆锥形孔形成的孔阵列(孔阵列的参数为孔深3mm，孔的最大直径720 μ m,每两个孔间的距离为750 μ m)。
[0032](2) PDMS的制备:取一个10mL烧杯，分别称取1gPDMS本体，Ig固化剂，将PDMS本体与固化剂按照10:1的质量比混合，用玻璃棒进行充分搅拌，待搅拌均匀后将其放入真空干燥器中除气30min备用；
[0033](3)将粒径为2 μ m的钴粒子添加到步骤(I)中制备好的模板上孔阵列内，机械震荡使其分散均匀，分散后将模板外残余的钴离子擦掉；
[0034](4)取出步骤⑵中制备好的PDMS，将其缓慢浇铸在含有钴粒子的模板上，再把以上样品置于真空干燥器中除气30min，为了得到磁化的集雾材料，除气的过程中要将一块场强为0.9T的永磁铁置于样品的正下方。
[0035](5)取出步骤(4)中处理好的样品，置于烘箱中在80°C下固化4h，在固化过程中要保证烘箱放置在水平位置。
[0036](6)将步骤(5)中固化好的样品取出后，放入一 10mL封口瓶中，再向封口瓶中加入60mL分析纯的四氢呋喃，封好瓶盖，在常温下放置36h，至模板溶解后将磁性圆锥阵列用镊子从封口瓶中取出，再取一 50mL烧杯，向其中倒入25mL四氢呋喃，反复清洗样品3次，再将其置于80°C的烘箱中干燥20min，得到本发明的圆锥形磁响应性集雾材料阵列，可以实现在静止雾气氛中的雾水收集。
[0037]选取阵列中的一根磁性锥刺为研究对象，图3、4所示分别为在一定时间(60min)内静止锥刺的集雾量和在相同条件下相同时间，采用本发明方法得到的磁性锥刺在磁场作用下摆动收集到的雾气的量。计算得出，相同条件下，摆动的锥刺在相同时间内收集到雾气的量(体积量)是静止锥刺的百倍以上。通过仿生构筑具有磁响应性的阵列材料可在静止雾气氛中实现大规模、高通量的雾水收集。
[0038]实施例2
[0039]本实施例提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，该方法包括以下几个步骤:
[0040](I)模板的制备:在透明的PVC板(尺寸为20mmX20mmX6mm)上机械压制出一个由倒圆锥形孔形成的孔阵列(孔阵列的参数为孔深3mm，孔的最大直径500 μ m,每两个孔间的距离为400 μ m)。
[0041](2) PDMS的制备:取一个10mL烧杯，分别称取15gPDMS本体，3g固化剂，将PDMS本体与固化剂按照5:1的质量比比例混合，用玻璃棒进行充分搅拌，待搅拌均匀后将其放入真空干燥器中除气60min备用；
[0042](3)将粒径为2 μ m的钴粒子添加到步骤(I)中制备好的模板内，机械震荡使其分散均匀，分散后将模板外残余的钴离子擦掉；
[0043](4)取出步骤(2)中制备好的PDMS，将其缓慢浇铸在含有钴粒子的模板上，再把以上样品置于真空干燥器中除气60min，为了得到磁化的集雾材料，除气的过程中要将一块场强为0.9T的永磁铁置于样品的正下方。
[0044](5)取出步骤⑷中处理好的样品，置于烘箱中在80°C下固化2h，在固化过程中要保证烘箱放置在水平位置。
[0045](6)将步骤(5)中固化好的样品取出后，放入一 10mL封口瓶中，再向封口瓶中加入SOmL分析纯的四氢呋喃，封好瓶盖，在常温下放置48h，至模板溶解后将磁性圆锥阵列用镊子从封口瓶中取出，再取一 50mL烧杯，向其中倒入30mL四氢呋喃，反复清洗样品3次，再将其置于80°C的烘箱中干燥15min，得到本发明的圆锥形磁响应性集雾材料阵列，可以实现在静止雾气氛中的雾水收集。
[0046]实施例3
[0047]本实施例提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，该方法包括以下几个步骤:
[0048](I)模板的制备:在透明的PVC板(尺寸为12mmX 12mmX6mm)上机械压制出一个由倒圆锥形的孔形成的孔阵列(孔阵列的参数为孔深3mm，孔的最大直径500 μ m,每两个孔间的距离为400 μ m)。
[0049](2) PDMS的制备:取一个10mL烧杯，分别称取1gPDMS本体，0.5g固化剂，将PDMS本体与固化剂按照20:1的质量比比例混合，用玻璃棒进行充分搅拌，待搅拌均匀后将其放入真空干燥器中除气30min备用；
[0050](3)将粒径为20nm的四氧化三铁粒子添加到步骤⑴中制备好的模板内，机械震荡使其分散均匀，分散后将模板外残余的四氧化三铁粒子擦掉；
[0051](4)取出步骤(2)中制备好的PDMS，将其缓慢浇铸在含有四氧化三铁粒子的模板上，再把以上样品置于真空干燥器中除气60min，为了得到磁化的集雾材料，除气的过程中要将一块场强为0.9T的永磁铁置于样品的正下方。
[0052](5)取出步骤(4)中处理好的样品，置于烘箱中在80°C下固化6h，在固化过程中要保证烘箱放置在水平位置。
[0053](6)将步骤(5)中固化好的样品取出后，放入一 10mL封口瓶中，再向封口瓶中加入50mL分析纯的四氢呋喃，封好瓶盖，在常温下放置24h，至模板溶解后将磁性圆锥阵列用镊子从封口瓶中取出，再取一 50mL烧杯，向其中倒入30mL四氢呋喃，反复清洗样品3次，再将其置于80°C的烘箱中干燥30min，得到本发明的圆锥形磁响应性集雾材料阵列，实现在静止雾气氛中的雾水收集。
[0054]实施例4
[0055]本实施例提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，该方法包括以下几个步骤:
[0056](I)模板的制备:在透明的PVC板(尺寸为15mmX 15mmX6mm)上机械压制出一个由倒圆锥形的孔形成的孔阵列(孔阵列的参数为孔深3mm，孔的最大直径500 μ m,每两个孔间的距离为400 μ m)。
[0057](2) PDMS的制备:取一个10mL烧杯，分别称取15gPDMS本体，Ig固化剂，将PDMS本体与固化剂按照质量比15:1的比例混合，用玻璃棒进行充分搅拌，待搅拌均匀后将其放入真空干燥器中除气45min备用；
[0058](3)将粒径为20nm的四氧化三铁粒子添加到步骤(I)中制备好的模板内，机械震荡使其分散均匀，分散后将模板外残余的四氧化三铁粒子擦掉；
[0059](4)取出步骤(2)中制备好的PDMS，将其缓慢浇铸在含有四氧化三铁粒子的模板上，再把以上样品置于真空干燥器中除气30min，为了得到磁化的集雾材料，除气的过程中要将一块场强为0.9T的永磁铁置于样品的正下方。
[0060](5)取出步骤(4)中处理好的样品，置于烘箱中在80°C下固化5h，在固化过程中要保证烘箱放置在水平位置。
[0061](6)将步骤(5)中固化好的样品取出后，放入一 10mL封口瓶中，再向封口瓶中加入60mL分析纯的四氢呋喃，封好瓶盖，在常温下放置36h，至模板溶解后将磁性圆锥阵列用镊子从封口瓶中取出，再取一 50mL烧杯，向其中倒入25mL四氢呋喃，反复清洗样品3次，再将其置于80°C的烘箱中干燥25min，得到本发明的圆锥形磁响应性集雾材料阵列，实现在静止雾气氛中的雾水收集。
[0062]实施例5
[0063]本实施例提出的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，该方法包括以下几个步骤:
[0064](I)模板的制备:在透明的PVC板(尺寸为20mmX20mmX6mm)上机械压制出一个由倒圆锥形的孔形成的孔阵列(孔阵列的参数为孔深3mm，孔的最大直径500 μ m,每两个孔间的距离为400 μ m)。
[0065](2) PDMS的制备:取一个10mL烧杯，分别称取16gPDMS本体，2g固化剂，将PDMS本体与固化剂按照质量比8:1的比例混合，用玻璃棒进行充分搅拌，待搅拌均匀后将其放入真空干燥器中除气60min备用；
[0066](3)将粒径为2μπι的钴粒子添加到步骤(I)中制备好的模板内，机械震荡使其分散均匀，分散后将模板外残余的钴粒子擦掉；
[0067](4)取出步骤⑵中制备好的PDMS，将其缓慢浇铸在含有钴粒子的模板上，再把以上样品置于真空干燥器中除气40min，为了得到磁化的圆锥阵列，除气的过程中要将一块场强为0.9T的永磁铁置于样品的正下方。
[0068](5)取出步骤(4)中处理好的样品，置于烘箱中在80°C下固化3h，在固化过程中要保证烘箱放置在水平位置。
[0069](6)将步骤(5)中固化好的样品取出后，放入一 10mL封口瓶中，再向封口瓶中加Λ SOmL分析纯的四氢呋喃，封好瓶盖，在常温下放置48h，至模板溶解后将磁性圆锥阵列用镊子从封口瓶中取出，再取一 50mL烧杯，向其中倒入30mL四氢呋喃，反复清洗样品3次，再将其置于80°C的烘箱中干燥15min，得到本发明的圆锥形磁响应性集雾材料阵列，实现在静止雾气氛中的雾水收集。
[0070]上述实施例中的磁性粒子还可以选择钕铁硼磁性粉末。实验表明，通过本发明提供的方法制备得到的圆锥形磁响应性集雾材料阵列，在磁驱动作用下，用于静止雾水收集可以实现大规模、高通量的雾水收集。相比于没有磁驱动摆动材料的雾水收集，集水量有显著提高。
【权利要求】
1.一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，其特征在于:包括以下几个步骤: 第一步，模板的制备:在基底上机械压制出由倒圆锥形的孔形成的孔阵列； 第二步，聚二甲基硅氧烷的制备:取一个烧杯，将PDMS本体与固化剂按照特定比例倒入其中，用玻璃棒进行充分搅拌，待搅拌均匀后将其放入真空干燥器中除气备用； 第三步，将磁性粒子添加到第一步中制备好的模板孔阵列内，机械震荡使磁性粒子分散均匀，分散后将模板孔阵列外残余的磁性粒子擦掉； 第四步，取出第二步中制备好的聚二甲基硅氧烷，将其浇铸在含有磁性粒子的模板上，置于真空干燥器中除气，除气的过程中要将一块永磁铁置于模板的正下方； 第五步，取出第四步中处理好的样品，置于烘箱中固化； 第六步，将第五步中固化好的样品取出后，脱模，得到圆锥形磁响应性集雾材料阵列，实现在静止雾气氛中的雾水收集。
2.根据权利要求1所述的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，其特征在于:所述的第一步中的基底为透明的聚氯乙烯板。
3.根据权利要求1所述的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，其特征在于:所述的第二步与第四步中除气时间均为30?60min。
4.根据权利要求1所述的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，其特征在于:所述的第三步中的磁性粒子为Co、Fe或钕铁硼磁响应性粒子。
5.根据权利要求1所述的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，其特征在于:第六步中脱模的具体方法为溶解模板法，具体操作为:将固化好的样品放入一封口瓶中，再向封口瓶中加入分析纯的四氢呋喃，封好瓶盖，在常温下放置24?48h，至模板溶解后将磁性圆锥阵列从封口瓶中取出，用四氢呋喃清洗2?3次，再将其置于烘箱中干燥，得到圆锥形磁响应性集雾材料阵列。
6.根据权利要求1所述的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，其特征在于:第六步得到的磁驱动圆锥阵列中圆锥的高度为3mm，圆锥底部直径为500μπι?720μπι，每两根圆锥之间的间距为400 μ m?750 μ m。
7.根据权利要求1所述的一种具有磁响应性集雾材料的仿生构筑方法，其特征在于:第五步中固化条件为在80°C下固化2?6h。
8.一种具有磁响应性集雾材料，其特征在于:所述集雾材料为圆锥形磁性阵列，圆锥的高度为3mm，圆锥底部直径为500 μ m?720 μ m,每两根圆锥底部边缘之间的间距为.400 μ m ?750 μ m。
【文档编号】E03B3/28GK104131596SQ201410347407
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】刘克松, 贺雅旭, 杨帅, 江雷 申请人:北京航空航天大学