一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜及其制备方法与流程

本发明涉及一种基于复合结构膜及其制备方法。

背景技术：

随着人口的持续增长和淡水资源的日益短缺，如何快速的获取淡水资源成为科研人员面临的难题。空气中淡水资源可以经过大气环流进行源源不断的补充，是用之不竭的淡水来源。受到自然界一些生物身体表皮结构的启发，利用材料对水的润湿性从空气中收集水分吸引了人们的注意。例如：仙人掌独特的多级水滴凝结-收集-运输-吸收结构可以有效地从空气中吸收水分并运输到根部；沙漠甲虫背部超疏水/超亲水复合润湿性表面可以使空气中的水分在超亲水区域凝结并通过超疏水区域输送到到体内等。这些可完成一系列雾滴收集功能的结构可以在热传递效率、液体定向运输等领域有着潜在的应用场景。人们总结这些生物收集雾水的整个过程，提出了复合结构的几个功能要求：包括疏水界面、连续的收集和转移，同时兼顾相对较低的再蒸发速率等。在这些功能中，如何实现水滴的自驱动运输是整个收集过程的关键难题。

在生物特性中，液滴的自驱动定向运输主要有两种形式的驱动力，液体在曲面形貌结构上，其两边的液/气界面上形成的张力差(拉普拉斯压差)和固体的表面能存在差异，形成的表面能梯度力产生的定向驱动力(润湿性梯度力)。如何设计微结构形貌梯度和微区域表面能结构成为人们面临的主要难题。目前，人们通过静电纺丝技术纤维上制备了周期性的纺锤型节点，液滴在这种直径渐变的形貌梯度上可以实现单向的运输过程；通过结合超亲水材料如铜网等和超疏水材料如海绵组合制备成复合润湿性的“双面神”结构，这种双面神结构中两种材料存在表面能差异，使得水在两种材料之间形成润湿性梯度力，从而促使水从超疏水面自发定向移动到超亲水面。

已公开的文献中对于水滴定向运输研究多集中于单一驱动力的研究，对两种作用力共同作用于水滴的自驱动运输器件没有报道。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决对自驱动的水雾收集膜水滴自驱动效果不理想，自驱动能量来源单一等问题，而提供一种可以兼顾雾水的冷凝、收集、转移和保存等多种功能于一体的高效自驱动复合结构膜结构。

本发明提出了一种基于双梯度锥形孔阵列的铝箔膜(复合结构膜)，它可以完成水滴从冷凝、收集、运输、保存等一系列过程。

本发明的一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜，所述的复合结构膜为铝箔膜，铝箔膜上有锥形孔，所述的锥形孔截面呈等边梯形，锥形孔的孔半径从铝箔膜上表面到下表面逐渐增大，铝箔膜上表面有低表面能材料c10h4cl3f17si，下表面材料为al2o3。

本发明的一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜的制备方法，它是按照以下步骤进行的：

一、将铝箔平整放置在三维移动台上，首先设置激光单脉冲能量，将激光焦点移动到铝箔的上表面处，通过扫描振镜软件设置二维点阵列结构，通过设置焦点停留时间改变脉冲冲击次数，制备得到双面超亲水的微孔阵列结构；

二、将上述超亲水的锥形孔阵列膜放置在修饰液中浸泡24h，然后在60℃热板上加热30min，得双面超疏水的膜；

三、将上述双面超疏水的膜平整放置在三维移动台上，设置激光焦点在上表面0.7mm处，设置光栅扫描，间隔25微米，激光脉冲能量75μj，扫描速度10mm/s，扫描完成后，即为复合结构膜。

本发明所提出的具有表面能梯度和形貌梯度的微孔阵列铝箔。这种结构具有以下功能(如图3所示)：上表面具有超疏水特性，在一定湿度环境中可冷凝空气中的雾滴，且液滴会慢慢增长，直到接触到微孔的边缘。之后，液滴由于受到两种驱动力的作用，在极短的时间内被转移到下表面(液滴5μl，微孔直径30μm，转移时间0.363s)。膜的下表面可连接容器并密封。当上表面收集到的水滴转移到下表面后，已收集水的再蒸发速率随之降低。在水滴自驱动转移过程中，受到了两种力的作用，分别是锥形形貌上水滴两端产生的液膜张力差和表面能差异形成的润湿性梯度力，是针对目前液体自驱动能量来源单一而造成的驱动效果不理想的改进设计。此外，这种双梯度的微孔的尺寸、间隔、形貌结构等参数可以通过加工条件进行调节，同时可以根据不同外界环境(如湿度、温度)设计最优结构。这种复合结构膜为雾水收集及运输和热传递效率提升等研究提供了一种新的设计思路和研究方案。

本发明包含以下有益效果：

本发明制备的复合润湿性铝箔的上下表面分别具有超疏水和超亲水性能。微孔内顶端到底端存在三种渐变元素，粗糙度、表面能和截面半径，这三种梯度赋予了液滴从铝箔上表面自发地转移到下表面的能力。这种具有锥形孔阵列的复合结构膜在热传递、雾水收集等方面具有独特的优势。除此之外，可以通过调节加工参数实现对形貌梯度和表面能梯度进行精确调谐，在不同环境中设计最优的液体自运输结构。

本发明所制备的复合结构膜可以在饱和水蒸气环境中，相对于完全超亲水的膜结构，雾水收集速率提高209％。为未来淡水资源的获取，热传递效率等领域提供了一种新的思路和实现方案。

附图说明

图1为本发明膜的形貌结构电镜图；其中，a为上表面为粗糙结构电镜图，b为下表面为花瓣形结构；c为单一锥形孔截面等边梯形图；

图2为水在本发明复合润湿性膜上下表面的润湿特性图；

图3为复合润湿性膜的收集性能测试图；其中，虚线框为复合润湿性膜。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜，所述的复合结构膜为铝箔膜，铝箔膜上有锥形孔，所述的锥形孔截面呈等边梯形，锥形孔的孔半径从铝箔膜上表面到下表面逐渐增大，铝箔膜上表面有低表面能材料c10h4cl3f17si，下表面材料为al2o3。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：锥形孔内壁的纳米颗粒从铝箔膜上表面到下表面逐渐增多，c10h4cl3f17si材料成分比例逐渐降低。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：锥形孔上表面周围呈粗糙结构，锥形孔下表面周围呈花瓣形粗糙结构。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：锥形孔顶端的接触角超过150°，底端接触角小于10°。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：水滴在复合结构膜锥形孔上表面的水接触角约155°，下表面水接触角小于10°。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式的一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜的制备方法，它是按照以下步骤进行的：

一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜的制备方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：

一、将铝箔平整放置在三维移动台上，首先设置激光单脉冲能量w(150μj)，将激光焦点移动到铝箔的上表面处，通过扫描振镜软件设置二维点阵列结构(h＝100μm)，通过设置焦点停留时间改变脉冲冲击次数(n＝60)，可制备双面超亲水的微孔阵列结构，该微孔界面为梯形(锥形孔阵列)。

二、将上述超亲水的锥形孔阵列膜放置在修饰液(乙醇：c10h4cl3f17si＝1:100)中24h，在60度热板上加热30min，该膜润湿性变为双面超疏水。

三、将上述超疏水膜平整放置在三维移动台上(大孔面向上)，设置激光焦点在上表面0.7mm处，设置光栅扫描(条纹状)，间隔25微米，激光脉冲能量75μj，扫描速度10mm/s，扫描完成后，扫描面润湿性变为超亲水，反面为超疏水，即为复合结构膜。

本实施方式制备的复合结构膜在温度25℃，压力1.013×10⁵pa条件下，通入饱和水蒸气，微孔间隔100～500μm，微孔最小直径30～100μm，样品有效收集面积3×3cm²。

本实施方式的膜的形貌结构电镜图如图1所示，由图1可知，上表面为粗糙结构，下表面为花瓣形结构。单一锥形孔截面呈等边梯形，粗糙度逐渐增大。

图2为水在复合润湿性上下表面的润湿特性，左图为上表面具有超疏水特性，右图为下表面具有超亲水特性。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述的激光单脉冲能量为60-300μj。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述的二维点阵列结构为：h＝100μm。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六不同的是：修饰液为乙醇：c10h4cl3f17si按体积比为1:100的比例混合而成。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六不同的是：脉冲冲击次数为20-100。其它与具体实施方式六相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

通过以下实施例验证本发明的有益效果:

实施例1

本实施例一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜的制备方法，具体操作如下：

设置以下条件：温度25℃，压力1.013×10⁵pa，通入饱和水蒸气。采用以下参数的加工样品：微孔间隔100μm，微孔最小直径30μm，样品有效收集面积3×3cm²，制得所述的基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜。

该复合润湿性收集膜8min可收集4.6ml的水，15min可收集8.1ml的水，其收集速率达到0.068ml·min^-1·cm^-2。

实施例2

本实施例一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜的制备方法，具体操作如下：

设置以下条件：温度25℃，压力1.013×10⁵pa，通入饱和水蒸气。采用以下参数的加工样品：微孔间隔100μm，微孔最小直径30μm，样品有效收集面积3×3cm²，制得所述的基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜。

该复合润湿性收集膜8min可收集4.6ml的水，15min可收集8.1ml的水，其收集速率达到0.068ml·min^-1·cm^-2，液气界面面积降低93％。

实施例3

本实施例一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜的制备方法，具体操作如下：

设置以下条件：温度25℃，压力1.013×10⁵pa，通入饱和水蒸气。采用以下参数的加工样品：微孔间隔100μm，微孔最小直径40μm，样品有效收集面积3×3cm²，制得所述的基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜。

该复合润湿性收集膜8min可收集6.3ml的水，15min可收集10.9ml的水，其收集速率达到0.081ml·min^-1·cm^-2，液气界面面积降低87％。

实施例4

本实施例一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜的制备方法，具体操作如下：

设置以下条件：温度25℃，压力1.013×10⁵pa，通入饱和水蒸气。采用以下参数的加工样品：微孔间隔50μm，微孔最小直径10μm，样品有效收集面积3×3cm²，制得所述的基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜。

该复合润湿性收集膜8min可收集3ml的水，15min可收集5.4ml的水，其收集速率达到0.040ml·min^-1·cm^-2，液气界面面积降低88％。

实施例5

本实施例一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜的制备方法，具体操作如下：

设置以下条件：温度25℃，压力1.013×10⁵pa，通入饱和水蒸气。采用以下参数的加工样品：微孔间隔500μm，微孔最小直径100μm，样品有效收集面积3×3cm²，制得所述的基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜。

该复合润湿性收集膜8min可收集2.3ml的水，15min可收集4.1ml的水，其收集速率达到0.030ml·min^-1·cm^-2，液气界面面积降低88％。