具有仿生蜘蛛丝结构的集水网面的连续化制备装置及其工艺的制作方法

本发明属于化学仿生技术领域，具体涉及具有仿生蜘蛛丝结构的集水网面的连续化制备装置及其制备工艺。

背景技术：

根据WHO的统计数据，世界上仅有0.007％的水能够直接供人类消费使用。缺水已经成为许多地区人们生活的常态，人类也在尝试各种各样的方法获得可以使用的水资源。雾气中含有大量的水，人类生产生活中也产生大量的雾化水，例如火电厂，此外，大雾天气也给人类的生产生活带来诸多麻烦，因此如何高效收集雾气成为热门课题。

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两个雾水收集站，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，其雾水收集量换算成降雨量分别是296.8毫米和165.1毫米。西班牙科学家还发明聚氨基甲酸乙酯制成的人造树，这种聚氨基甲酸乙酯吸水性能强，与雾气的接触面积大，散热快，因而能够凝聚大量的水分。但是上述方法的集水效率较低，不能满足人类生产生活所需。自然界中的生物经过长期的进化过程获得了在极度缺水环境中生存的本领。因此通过仿生制备低能耗、高效率、环境友好的集水材料有望成为解决水资源匮乏问题的新途径。我国许多生活在多雾气候的地区的居民也早已开始用类似的传统集水材料从雾气中收集淡水。但现有集水技术存在着效率低、集水成本高、环境不友好、集水纤维生产效率低的缺陷，无法满足广大缺水地区对于水资源的迫切需求。

目前，经过北京航空航天大学郑咏梅教授课题组的努力探索，在仿生集水方向已经能够实现集水纤维的工业化生产，该纤维在简单编网后能够在不降低气流压降的前提下实现单程6％的集水性能，远远高于传统Rachel网面单程2％的集水率，但是存在机械化编网破坏异质结构的仿生集水纤维问题，现有技术中需要连续化、工业化制备集水网面的问题仍然存在。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有仿生蜘蛛丝结构的集水网面的连续化制备装置及其工艺，所述的连续化制备装置包括：推入式定位台、运输导轨、高压喷涂室、干燥室、一级原料罐、二级原料罐、清洗原液罐和空气压缩泵；所述的推入式定位台位于运输导轨上，推入式定位台固定要待喷涂网面，在所述的连续化制备过程中，推入式定位台携带着待喷涂网面，沿运输导轨，依次经过高压喷涂室和干燥室，实现对具有仿生蜘蛛丝结构的集水网面的连续化制备；所述的一级原料罐出口、清洗原液罐出口分别与二级原料罐入口之间通过管路连接，二级原料罐的出口与高压喷涂室的高压喷头之间管路连接，为高压喷头提供喷涂原料；所述空气压缩泵放置于空气压缩车间，空气压缩泵与高压喷头之间管路连接，负责为高压喷头提供稳定的喷涂压力。

本发明还提供一种具有仿生蜘蛛丝结构的集水网面的连续化制备工艺，包括如下步骤：

第一步，分别取两份DMF倒入一级原料罐与清洗原液罐中，之后向一级原料罐加入PVDF粉末，启动多级桨叶搅拌器A搅拌10h～14溶解，之后加入纳米TiO₂粉末搅拌2～3h，形成均匀的悬浊液，打开一级原料罐出口的阀门A将悬浊液引入二级原料罐，启动多级桨叶搅拌器B搅拌均匀，待用；

打开空气压缩泵，调整至工作压力60MPa，待用；

打开热风鼓风机，控制干燥室的腔室内的气流流速为0.5m/s，控制热风鼓风机出口气体温度至65℃，并利用热风流预热腔室至与气流温度一致；

第二步，启动运输导轨，控制运输速度至0.15～0.2m/s，将待喷涂网面固定于推入式定位台，启动推入式定位台的推入电机将网框推入运输导轨；

第三步，打开阀门C，将悬浊液引入高压喷头；当待喷涂网面进入壳体内部时，壳体入口的红外发射识别装置发射的红外信号被网框阻断，高压喷头自动启动开始工作，对待喷涂网面进行完整的喷涂；当喷涂结束并且推入式定位台离开壳体后，高压喷头停止工作；未附着到待喷涂网面上的原液雾滴进入废液回收器中；

第四步，推入式定位台离开壳体之后由运输导轨转移至干燥室；此时运输导轨的速度降低为0.1m/s；

第五步，在网面完全离开干燥室后，裁剪取下，得到仿生集水网面成品；

第六步，清洗处理；

关闭阀门A，打开阀门B，将清洗原液罐内的清洗液导入二级原料罐中并注满，然后关闭阀门B，打开高压喷头，并使其处于工作状态，将二级原料罐内的所有清洗液喷完，重复5遍。

本发明的优点在于：

1.本发明采用分段式网面运输导轨，可以分段控制网面运输速度，降低导轨故障率的同时，便于导轨故障维修，在出现设备故障时可以直接更换相应工块，提高设备的生产效率。

2.本发明采用推入式定位台，保证网框高效准确的进入生产线。

3.本发明采用组合式原料罐，由于喷涂法的喷涂原液为含有纳米3wt.％TiO₂的10wt.％PVDF+DMF的固体悬浊液，因此需要不断搅拌从而保证悬浊液均匀，使用组合式原料罐是防止由于管道过长引起的悬浊液沉降，并使得喷涂设备便于完成工作后进行清理。

4.本发明采用可拆卸式并排高压喷头，利于快速更换故障喷头保证整套设备的高效运行。并采用大储气罐，保证喷涂工艺中喷涂压力的稳定输出。

5.本发明在高压喷涂室设置有废液回收器，废液回收器中有钢棒阵列，加大气固接触面，提高微液滴的碰撞概率，使得废液回收更为高效，有效保护工作环境。

6.本发明在干燥工作区装备有热风鼓风机，配置高效导流通道，进而快速更新干燥室内的空气，提高传质推动力进而加快喷涂后网面的干燥速率。

7.本发明提供的仿生集水网面的制备装置，可以连续化、工业化生产仿生集水网面，结合工业化的仿生集水纤维能够达到高效收集空气中的微小液滴成为日常生活可用的淡水资源的目的。

附图说明

图1为本发明中仿生集水网面的连续化制备装置的结构示意图；

图2为本发明中一级原料罐、清洗原液罐与二级原料罐之间的连接关系示意图；

图3为本发明中运输导轨结构示意图；

图4为本发明中高压喷涂室结构示意图；

图5为本发明中干燥室工作区结构示意图。

图中：

1.推入式定位台； 2.运输导轨； 3.高压喷涂室； 4.干燥室；

5.一级原料罐； 6.二级原料罐； 7.清洗原液罐； 8.空气压缩泵；

201.牵引件； 202.轴承； 203.传送带；

301.壳体； 302.高压喷头； 303.扰流棒； 304.红外发射识别装置；

305.废液回收器； 401.腔室； 402.热风鼓风机；

501.阀门A； 601.阀门C； 701.阀门B； 502.多级桨叶搅拌器A；

602.多级桨叶搅拌器B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明首先提供的一种具有仿生蜘蛛丝结构的集水网面的连续化制备装置，如图1所示，所示的装置包括：推入式定位台1、运输导轨2、高压喷涂室3、干燥室4、一级原料罐5、二级原料罐6、清洗原液罐7和空气压缩泵8。所述的推入式定位台1位于运输导轨2上，推入式定位台1固定要待喷涂网面，在所述的连续化制备过程中，推入式定位台1携带着待喷涂网面，沿运输导轨2，依次经过高压喷涂室3和干燥室4，实现对具有仿生蜘蛛丝结构的集水网面的连续化制备。

如图1和图2所示，所述的一级原料罐5出口、清洗原液罐7出口分别与二级原料罐6入口之间通过管路连接，二级原料罐6的出口与高压喷头之间管路连接，为高压喷头提供喷涂原料。在所述的一级原料罐5出口设置有阀门A501，用于控制一级原料罐5中的原料流量；在所述的清洗原液罐7出口设置有阀门B701，用于控制清洗原液罐7内的清洗原液流量；在所述的二级原料罐6出口设置有阀门C601，用于控制二级原料罐6内的原料流量。

如图2所示，在所述的一级原料罐5内设置有多级桨叶搅拌器A502，在所述的二级原料罐6内设置有多级桨叶搅拌器B602，分别用于搅拌所述一级原料罐5和二级原料罐6内的原料，使其原料混合均匀。

所述空气压缩泵8放置于空气压缩车间，空气压缩泵8与高压喷头之间管路连接，负责为高压喷头提供稳定的喷涂压力。

所述的推入式定位台1为中空边框结构，中空边框中空部分前后尺寸与待喷涂网面尺寸一致，所述待喷涂网面尺寸不包括边框部分，中空边框前后两侧有固定架，用于夹住待喷涂网面，并将待喷涂网面(具有仿生蜘蛛丝结构的集水网面)准确推入高压喷涂室3和干燥室4。

所述运输导轨2铺设在高压喷涂室3和干燥室4之间，用于传输推入式定位台1。如图3所示，所述运输导轨2采用分段式网面运输导轨结构，可以分段控制推入式定位台1的运输速度，降低运输导轨2的故障率，并便于导轨维修。优选的，在高压喷涂室3和干燥室4分别设置一段运输导轨2，每一段运输导轨2均由牵引件201、轴承202和传送带203组成，所述的牵引件201有两个，两个牵引件201之间为轴承202，传送带203包覆在所述轴承202和牵引件201的外侧，并且所述的牵引件201与传送带203内表面之间为齿轮啮合，牵引件201的转动带动传送带203的运动，由于所述的推入式定位台1位于所述的传送带203上，因此所述的传送带203的运动实现对推入式定位台1的运输。所述的轴承202均匀分布在两个牵引件201之间，起到对传送带203的支撑和传递作用。

所述高压喷涂室3位于推入式定位台1和干燥室4之间，负责完成待喷涂网面的喷涂作业。如图1和图4所示，所述高压喷涂室包括壳体301、高压喷头302、扰流棒303、红外发射识别装置304和废液回收器305，所述红外发射识别装置304设置在所述的壳体301入口和出口处，连接高压喷头开关，当红外发射识别装置304检测到推入式定位台1载着待喷涂网面进入或离开高压喷涂室3的壳体301后，高压喷头开关自动启动或关闭，高压喷头302开始或结束喷涂工作。所述壳体301的下方设置有废液回收器305，用于接收喷涂过程中产生的喷涂废液以及清洗过程中产生的清洗废液。所述高压喷头302固定在所述壳体301顶部，所述高压喷头302连接有二级原料罐6和空气压缩泵8。所述的废液回收器305采用导流器，所述废液回收器305中设置有扰流棒303，用于加大气固接触面，提高微液滴的碰撞概率，使得废液回收更为高效，有效保护工作环境。

所述的高压喷头302具有一个以上，并排设置的所述壳体301上方，利于快速更换故障喷头保证整套设备的高效运行。

所述干燥室4位于高压喷涂室3后，所述干燥室4包括腔室401和热风鼓风机402，所述热风鼓风机402位于干燥室的腔室401上方，所述热风鼓风机402为所述腔室401提供65℃的干燥热风。

应用所述的具有仿生蜘蛛丝结构的集水网面的连续化制备装置，进行集水网面的连续化制备，具体制备工艺流程包括如下步骤：

第一步，分别取22.25～44.5公斤与7.5公斤DMF(N,N-二甲基甲酰胺)倒入一级原料罐5与清洗原液罐7中，之后向一级原料罐5加入2.5公斤PVDF(聚偏氟乙烯)粉末，启动多级桨叶搅拌器A502搅拌10h～14溶解，之后加入0.25公斤纳米TiO₂粉末搅拌2～3h，形成均匀的悬浊液，打开一级原料罐5出口的阀门A501将悬浊液引入二级原料罐6，启动多级桨叶搅拌器B602搅拌均匀,待用。

打开空气压缩泵8，调整至工作压力60MPa，待用。

打开热风鼓风机402，控制干燥室4的腔室401内的气流流速为0.5m/s，控制热风鼓风机402出口气体温度至65℃，并利用热风流预热腔室401至与气流温度一致。

第二步，启动运输导轨2，控制运输速度至0.15～0.2m/s，将待喷涂网面固定于推入式定位台1，启动推入式定位台1的推入电机将网框推入运输导轨2。

第三步，打开阀门C601，将悬浊液引入高压喷头302；当待喷涂网面进入壳体301内部时，壳体301入口的红外发射识别装置304发射的红外信号被网框阻断，高压喷头302自动启动开始工作，对待喷涂网面进行完整的喷涂。当喷涂结束并且推入式定位台1离开壳体1后，高压喷头302停止工作。未附着到待喷涂网面上的原液雾滴进入废液回收器305中。废液回收器305中的扰流棒303起到增大液滴碰撞概率的作用，同时提供液滴吸附点位。

第四步，推入式定位台1离开壳体1之后由运输导轨2转移至干燥室4。此时运输导轨2的速度降低为0.1m/s，目的在于充分干燥喷涂后的网面，并且使得节点结构更为稳定。

第五步，在网面完全离开干燥室4后，裁剪取下，得到50cm*50cm的仿生集水网面成品。

第六步，清洗处理。

由于悬浊液在溶剂挥发之后会形成固体，导致管道与高压喷头302堵塞，因此停止制备装置的工作前关闭阀门A501，打开阀门B701，将清洗原液罐7内的清洗液导入二级原料罐6中并注满，然后关闭阀门B701，打开高压喷头302，并使其处于工作状态，将二级原料罐6内的所有清洗液喷完，重复5遍。

本发明提供的具有仿生蜘蛛丝结构的集水网面的连续化制备装置，能够大批量高效率地制备结构均匀的仿生集水网面，具有极高的实际应用价值。

对于本领域技术人员而言，本发明显然不限于上述优选实施例的细节，在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明的目的。因此，无论从哪个角度出发，均应将上述优选实施例看作是示范性，而不具有唯一性的性质。

此外，虽然本说明书按照优选实施例的实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚理解本发明的技术方案，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，优选实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。