一种基于超疏水和超滑表面的气泡捕集装置实现水中自发循环上浮下潜运动的方法与流程

本发明属于能量转化材料制备技术领域，特别涉及制备具有超疏水和超滑性质的复合表面，并实现对水环境中气泡收集整合和对气泡浮力的有效利用的方法。

背景技术

功能材料的器件化是当前科研领域通往实际应用的一道屏障，也是被广泛研究和开发的热点所在。其中制动器材料器件是其中重要的一员，通常通过对材料进行功能化改性，使其能在外界影响下产生内在驱动力，从而驱动材料运动(包括位移，形变等)并输出能量。这一设计思路广泛应用于设计智能传感器件，形状记忆材料甚至微机器人等领域。

另一方面，气泡广泛存在于水环境中，通常在浮力作用下，气泡被迁移到液面并释放到大气中。这一过程显现出一定的能量耗散，一些研究已经通过构筑具有特殊表面性质的功能材料器件以操控气泡行为，达到整合和利用气泡浮力的目的，由于气泡在液面能自发释放，使得气泡浮力消失，器件也因而下潜，从而完成了对整个器件上浮下潜动作的操纵。这一研究在设计能量转化器件和微型能量生发装置等领域具有光明的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种简便，环保地制备一种基于超疏水和超滑复合性质的表面的气泡收集装置实现水环境中自发循环上浮下潜运动的方法。通过超滑表面对水环境中气泡的亲和力捕获气泡并定向迁移到装置上部超疏水表面区域，利用超疏水表面对气泡的强黏附作用对气泡进行整合使得总体浮力能克服重力，实现材料上浮。而后气泡在液面自发释放，浮力锐减，完成装置自发下潜。基于以上设计，实现装置在水环境中捕获气泡并诱发自发循环上浮下潜动作过程。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于超疏水和超滑表面的气泡捕集装置实现水中自发循环上浮下潜的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a.二氧化硅微球的疏水改性：取一定量商用纳米二氧化硅微球分散于甲苯中超声处理30分钟，加入硅烷修饰剂持续大力搅拌3小时，然后离心干燥得到疏水二氧化硅的纳米微球；

b.聚合物前驱液配置：取一定量pvdf(聚偏氟乙烯)溶于dmf(n，n-二甲基甲酰胺)得透明溶液，再加入一定量所得的疏水二氧化硅纳米微球持续搅拌1小时得到均匀的聚合物微球复合前驱溶液；

c.复合表面性质纸片材料的制备：取定性滤纸裁剪成合适尺寸，将其浸入所得的聚合物微球复合前驱溶液，充分浸润后提拉干燥，得到均一的超疏水纸片；将超疏水纸片下半部分浸入润滑油中，然后提起，用水冲去多余油液，至此得到具有复合表面性质的纸片，其上部为超疏水表面，下部为超滑表面；

d.上浮下潜动态过程模拟：在酸液中加入碳酸氢钠溶液产生气泡以模拟具有气泡的水环境，再将所得的具有复合表面性质的纸片底端坠挂重物并投入到上述微气泡水环境中，记录纸片上浮下潜的运动过程。

进一步地，二氧化硅微球的硅烷修饰剂为十八烷基三氯硅烷。

进一步地，聚合物前驱液配置的物料：疏水二氧化硅微球，pvdf(聚偏氟乙烯)和dmf(n，n-二甲基甲酰胺)配比为0.4g:0.2g:10ml。

进一步地，所用润滑油为杜邦高性能润滑油。

进一步地，超疏水区域面积与超滑区域面积比例为3:1。

进一步地，器件坠挂的重物0.05g/cm²。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.工艺简单，原料易得，无毒环保，成本低廉。

2.利用水环境中的气泡为驱动源，方便易得，持续可控。

3.整个运动过程稳定，适用于循环使用条件。

4.有效整合气泡浮升的能量耗散，并转化为可用的机械能，平均功率约为0.1w/cm2。

5.机械强度大，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明实施例1所得疏水改性sio2微球与原始sio2微球的(a)红外光谱和(b)x射线光电子能谱比对，从中可以看出在微球上成功键接上烷基，使改性微球具有良好疏水性。

图2为本发明实施例1中(a-c)原始滤纸和(d-f)所得超疏水滤纸片的扫面电镜图比对，从中看出在滤纸表面成功沉积上均匀的聚合物及改性sio2微球,使得滤纸具有优良的超疏水性能。

图3为本发明实施例1中所得的滤纸片(a)超疏水区域的书接触角及滚动角，以及(b)超滑区域的水接触角和滑动角。

图4为本发明实施例1中所得的滤纸片(a)超疏水区域气泡黏附性，以及(b)超滑区域气泡黏附性和气泡滑动性。由此看出超疏水和超滑表面都对气泡有很强的亲和力，其中气泡极易于在超滑超滑表面滑动。

图5为本发明实施例1中装置在带气泡的水环境中自发的上浮下沉过程的光学照片。

图6为本发明实施例1中装置在水中上浮下沉运动的相对高度随时间变化(a)为单次上浮下潜动作高度随时间变化，(b)为自发上浮下潜循环中高度随时间变化。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

实施例1

(1)sio2纳米微球的疏水改性：

取2g商用纳米二氧化硅微球分散于40ml甲苯中超声处理30分钟，加入1ml十八烷基三氯硅烷修饰剂持续大力搅拌3小时，然后离心干燥得到疏水二氧化硅的纳米微球，其红外检测及xps检测如图1所示。

(2)复合表面性质纸片材料组装：

取0.2gpvdf(聚偏氟乙烯)溶于10mldmf(n，n-二甲基甲酰胺)得透明溶液，再加入0.4g所得的疏水二氧化硅纳米微球持续搅拌1小时得到均匀的聚合物微球复合前驱溶液。取定性滤纸裁剪成2×4cm规格，将其浸入所得的聚合物微球复合前驱溶液，充分浸润后提拉干燥，得到均一的超疏水纸片，扫描电镜对比图如图2所示。将超疏水纸片下半部分浸入润滑油中，然后提起，用水冲去多余油液，至此得到具有复合表面性质的纸片，其上部为超疏水表面，下部为超滑表面，二者区域面积比为3:1。

(3)器件对气泡的黏附和传输：

首先对所得的超疏水表面和超滑表面的润湿性进行表征，测试超疏水表面的接触角和滚动角如图3a所示，测试超滑表面的接触角及滑动角如图3b所示。后将所得的超疏水表面分别水平置于水中，在其表面灌注气体，二者表面都形成黏附的大气泡如图4所示，就与气泡的结合力而言，二者差别不大，但气泡极易在超滑表面滑动而上升。

实施例2

(1)sio2纳米微球的疏水改性：

取2g商用纳米二氧化硅微球分散于40ml甲苯中超声处理30分钟，加入1ml十八烷基三氯硅烷修饰剂持续大力搅拌3小时，然后离心干燥得到疏水二氧化硅的纳米微球。

(2)复合表面性质纸片材料组装：

取0.2gpvdf(聚偏氟乙烯)溶于10mldmf(n，n-二甲基甲酰胺)得透明溶液，再加入0.4g所得的疏水二氧化硅纳米微球持续搅拌1小时得到均匀的聚合物微球复合前驱溶液。取定性滤纸裁剪成2×4cm规格，将其浸入所得的聚合物微球复合前驱溶液，充分浸润后提拉干燥，得到均一的超疏水纸片。将超疏水纸片下半部分浸入润滑油中，然后提起，用水冲去多余油液，至此得到具有复合表面性质的纸片，其上部为超疏水表面，下部为超滑表面，二者区域面积比为3:1。

(3)器件在模拟的带气泡水环境中捕获气泡：

将所得的具有超疏水性和超滑复合性质的纸片竖直置于水中，超疏水表面位于顶端。水中加入稀盐酸和碳酸氢钠溶液以产生均匀气泡模拟具有气泡的水环境，观察气泡在纸片表面的运动状态。气泡先是在超滑表面被捕获，然后向上滑至超疏水表面区域，在超疏水表面区域富集并形成大气泡，待气泡胀大到一定程度时从超疏水表面脱附浮起。

实施例3

(1)sio2纳米微球的疏水改性：

取一定量商用纳米二氧化硅微球分散于甲苯中超声处理30分钟，加入硅烷修饰剂持续大力搅拌3小时，然后离心干燥得到疏水二氧化硅的纳米微球。

(2)复合表面性质纸片材料组装：

取0.2gpvdf(聚偏氟乙烯)溶于10mldmf(n，n-二甲基甲酰胺)得透明溶液，再加入0.4g所得的疏水二氧化硅纳米微球持续搅拌1小时得到均匀的聚合物微球复合前驱溶液。取定性滤纸裁剪成2×4cm规格，将其浸入所得的聚合物微球复合前驱溶液，充分浸润后提拉干燥，得到均一的超疏水纸片。将超疏水纸片下半部分浸入润滑油中，然后提起，用水冲去多余油液，至此得到具有复合表面性质的纸片，其上部为超疏水表面，下部为超滑表面，二者区域面积比为3:1。

(3)器件加载重物在模拟的带气泡水环境中捕获气泡并实现上浮下潜：

将所得的具有超疏水超滑复合表面性质的纸片竖直置于模拟的具有气泡的水环境中，超疏水区域位于顶端，在其底端坠挂0.4g的重物，观察纸片的运动。在一段时间的气泡收集后，纸片开始进行自发上浮下潜的运动如图5所示，随着时间的推移，这一运动呈现一定的周期性如图6所示。

本发明受鱼类控制其体内鱼鳔的体积以实现自身上浮和下潜动作的机理为出发点，设计出具有超疏水表面和超滑表面的复合表面材料。该材料对气泡有很强的亲和和黏附作用，在具有微气泡的水环境中可以有效地对气泡进行捕获，捕获的气泡在材料表面定向运输和富集，与此同时，聚集在材料表面的气泡产生向上浮力使整个装置向水面浮起。浮向水面的气泡在接触大气时迅速释放，使整个装置迅速下潜。基于以上机理，所设计的装置实现了在具有气泡的水环境中的自发循环上浮下潜运动过程，将气泡上浮过程的能量耗散进行收集整合转化为可利用的机械能。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。