一种水分收集表面结构及其制备方法

本发明属于水分收集，涉及一种水分收集表面结构，还涉及一种水分收集表面结构的制备方法。

背景技术：

1、在一些干旱地区以及获得淡水资源困难的山区，想要获得水资源是十分困难的。但是在清晨的空气中富含大量的小水滴，如果能将这些小水滴收集到一起就会在一定程度上有效缓解水资源匮乏的问题。在潮湿的空气中收集水分这一行为在自然界中的一些生物就给了我们很好的启发，比如沙漠甲虫、蜘蛛丝、猪笼草、仙人掌等生物都已经进化出特殊的结构，这些结构具有从雾气中收集水分的能力,从而可以适应干旱的环境。科学家们根据这些生物的结构特点开发了许多结构来从空气中收集水分，但是其制备工艺相对复杂，还不能高效的进行水分收集。

2、如中国专利申请（申请号为2020105233234）公开的集水表面结构，，采用3d打 印的方式将3d仿生基底设计成具有尖刺结构。例如类仙人掌或类沙漠甲壳虫的集水结构，尖刺部分的设置，能够进一步地加强了该装置的水分收集和水分传输功能，发明人通过本发明的方法实施该结构时，发现在集水效率方面相对比较低。

3、因此需要一种快速和高效的水分收集技术来提高水分收集的效率。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种水分收集表面结构及其制备方法，实现快速和高效的水分收集，提高水分收集的效率。

2、本发明采取的技术方案为：一种水分收集表面结构，包括超疏水基底以及在超疏水基底上的超亲水表面，超亲水表面包括竖向共面连通的纺锤形图案和楔形图案，纺锤形图案和楔形图案低于超疏水基底端面。

3、进一步地，上述单个超亲水表面的纺锤形图案从上自下阵列分布，并用一个楔形图案从上到下穿过所有阵列的纺锤形图案。

4、进一步地，上述单个超亲水图案上的相邻两个纺锤形图案之间的间距取值为0.3～0.5mm。

5、进一步地，上述单个超亲水表采用多个自上而下面首尾相连，相邻两个单个超亲水表面之间通过楔形图案串联，最底部的单个超亲水表面（1）的楔形图案的宽端延伸至超疏水基底的下边缘，即如图1所示，第一个楔形图案的宽端连接第二个超亲水图案最上端的纺锤形图案，依次串接后，最后一个楔形图案的宽端延伸至超疏水基底的下边缘。

6、进一步地，上述纺锤形图案的宽度取值范围为3～5mm，纺锤形图案的高度的取值范围为0.4～0.6mm。

7、进一步地，上述楔形图案的上端宽度取值范围为0.4～0.6mm，楔形图案的楔形角度取值范围为4～6°，一个楔形图案的长度取值范围为6～8mm。

8、进一步地，上述多个超亲水表面自上而下首尾相连构成一组超亲水表面，将该组超亲水表面在超疏水基底上横向阵列分布，相邻两组超亲水表面之间的间距取值范围为0.4～0.6mm。

9、进一步地，上述基底为铜及其合金、铝及其合金。

10、一种水分收集表面结构的制备方法，该方法包括以下步骤：

11、1）使用不同型号的砂纸对材料基底进行打磨，而后用抛光布对表面进行抛光处理；

12、2）使用乙醇、丙酮和去离子对材料基底进行超声清洗，清洗后用氮气进行干燥；

13、3）使用稀盐酸溶液去除材料表面的氧化膜，然后用去离子水清洗表面并用氮气干燥；

14、4）使用氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液对材料基底进行湿法刻蚀，反应时使用搅拌器轻微搅拌刻蚀溶液；

15、5) 待反应结束后将材料取出然后用去离子水清洗，并用氮气干燥，此时材料基底表面具备超亲水性；

16、6）将超亲水基底放入1wt％fas乙醇溶液之中侵泡6小时，并在90°的干燥箱中干燥10分钟，以降低表面能并获得超疏水性；

17、7）使用激光光纤打标机对超疏水表面进行激光烧蚀，选择性地去除超疏水表面的涂层获得超亲水表面，超亲水表面包括竖向共面连通的纺锤形图案和楔形图案，纺锤形图案和楔形图案低于超疏水基底端面，单个超亲水表面采用多个自上而下首尾相连，相邻两个单个超亲水表面之间通过单个楔形图案下端串联，最底部的单个超亲水表面的楔形图案的宽端延伸至超疏水基底的下边缘。

18、进一步地，上述使用激光光纤打标机对超疏水表面进行激光烧蚀的激光加工参数包括频率20khz、扫描速度600mm/s、激光功率10w。

19、本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种具有水分收集的仿生非均匀润湿性表面，至少具有如下技术或优点：

20、1）小水滴在超亲水表面能够快速捕获，并且由于超亲水表面的图案由纺锤形和楔形组合而来，超亲水表面的图案是几何不对称图形，几何不对称图形会形成形状梯度，液滴在超亲水表面会受到拉普拉斯压力梯度的影响，由于拉普拉斯压力梯度会产生驱动力，使收集的水滴沿楔形从上到下定向运输。超疏水表面与超亲水表面的边缘会产生表面能梯度力，超疏水表面的液滴会在表面能梯度力的影响下向超亲水区域移动。由于超亲水区域的纺锤形图案间距的取值范围小于超疏水区域液滴的直径，因此超疏水区域的液滴在合并长大的过程中就会被超亲水区域吸收排走，这一过程减少了在超疏水表面液滴的生长过程。在表面能梯度力和拉普拉斯梯度力的作用下能将收集的水分快速排走,从而有效提高集水效率；

21、2）通过试验验证，如图8所示，具有楔形和纺锤形的超亲水/超疏水非均匀润湿性表面具有最大的水分收集效率，集水效率达到870mg·cm-2·h-1，对比独立楔形表面的集水效率提高到48%，对比连续楔形表面的集水效率也提高到20%，相比纺锤形表面的集水效率提高到145%，设计的表面不仅能够快速从空气中捕获水分，还能够对冷凝水进行定向运输直至离开冷凝表面；根据数据显示，本发明获得了不可预期的技术效果，而且如图9所示，采用本发明的液滴在样品表面的动态行为，在图（g）中水滴汇聚能力更好。

技术特征：

1.一种水分收集表面结构，其特征在于：包括超疏水基底（2）以及在超疏水基底（2）上的超亲水表面（1），超亲水表面（1）包括竖向共面连通的纺锤形图案（11）和楔形图案（12），纺锤形图案（11）和楔形图案（12）低于超疏水基底（2）端面。

2.根据权利要求1所述的一种水分收集表面结构，其特征在于：单个超亲水表面（1）的纺锤形图案（11）从上自下阵列分布，并用一个楔形图案（12）从上到下穿过所有阵列的纺锤形图案（11）。

3.根据权利要求1或2所述的一种水分收集表面结构，其特征在于：单个超亲水图案（1）上的相邻两个纺锤形图案（11）之间的间距取值为0.3～0.5mm。

4.根据权利要求2所述的一种水分收集表面结构，其特征在于：单个超亲水表面（1）采用多个自上而下首尾相连，相邻两个单个超亲水表面（1）之间通过单个楔形图案（12）下端串联，最底部的单个超亲水表面（1）的楔形图案（12）的宽端延伸至超疏水基底的下边缘。

5.根据权利要求1-2或4任一所述的一种水分收集表面结构，其特征在于：纺锤形图案的宽度取值范围为3～5mm，纺锤形图案的高度取值范围为0.4～0.6mm。

6.根据权利要求1-2或4任一所述的一种水分收集表面结构，其特征在于：楔形图案的上端宽度取值范围为0.4～0.6mm，楔形图案的楔形角度取值范围为4～6°，一个楔形图案的长度取值范围为6～8mm。

7.根据权利要求4任一所述的一种水分收集表面结构，其特征在于：多个超亲水表面自上而下首尾相连构成一组超亲水表面，将该组超亲水表面在超疏水基底上横向阵列分布，相邻两组超亲水表面之间的间距取值范围为0.4～0.6mm。

8.根据权利要求1-2或4任一所述的一种水分收集表面结构，其特征在于：基底为铜及其合金、铝及其合金。

9.根据权利要求1-2或4任一所述的一种水分收集表面结构的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种水分收集表面结构的制备方法，其特征在于：使用激光光纤打标机对超疏水表面进行激光烧蚀的激光加工参数包括频率20khz、扫描速度600mm/s、激光功率10w。

技术总结
本发明公开了一种水分收集表面结构及其制备方法，属于水分收集技术领域，具体结构包括超疏水基底以及在超疏水基底上的超亲水表面，超亲水表面包括竖向共面连通的纺锤形图案和楔形图案，纺锤形图案和楔形图案低于超疏水基底端面，该水分收集表面结构结构通过超疏水基底制备、超亲水表面制备和纺锤形图案和楔形图案激光烧蚀形成。本发明的水分收集表面结构能够增大超疏水区域液滴的更新频率，在表面能梯度力和拉普拉斯梯度力的作用下能将收集的水分快速排走,从而有效提高集水效率。

技术研发人员：彭毅,杨冲,关小雅,尤航,李婷,吕进
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12