0引言
水资源短缺是全球长期面临的重大基础性难题,对区域经济社会的进步和人类自然环境的可持续发展造成了严重威胁
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。科学家们为了缓解水资源短缺问题和干旱现象,提出了各种方法与措施,如人工降雨、海水淡化等,但这些方法存在成本高、对能源依赖程度大等问题,这在一定程度上限制了这些方法的进一步应用。如何清洁、高效地获取淡水资源,成为亟待科学家们解决的问题。全世界淡水资源总量的10%以水蒸气的形式存在于空气中,若能将这一部分淡水资源以较低的成本加以利用,将大大缓解部分区域水资源短缺的问题。自然界中存在许多动物或植物可以从空气中获取水分,如玫瑰花瓣和水稻叶片等,由于表面特殊的微纳结构,能够在表面形成液滴
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;蜘蛛丝同样因为表面纤维结构,能够捕获空气中的水分
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。这些自然界中的生物从空气中收集水分的方法为人类提供了借鉴。学者们研究发现,材料表面特殊的微纳结构能够实现超疏水功能,而这种功能表面是实现空气集水的重要条件。
超疏水表面一般是指表面接触角大于150°平面
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。超疏水表面制备方法主要分为化学涂覆法和刻蚀法两种
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。化学涂覆法主要通过在基体材料表面涂覆一层低表面能化学试剂,形成一层化学薄膜,降低基体材料表面能,减小与水的相互作用,从而形成超疏水表面,获得疏水性。Gu等
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设计了一种单元胞颗粒,将其分散于不同树脂中,可同时赋予涂层超疏水性和机械稳定性,克服传统化学涂覆法制备的超疏水表面耐磨性、持久性不足的缺陷。刻蚀法主要分为激光刻蚀法与化学刻蚀法,两者的共同之处都是在基体材料表面进行刻蚀,改变其表面粗糙度和表面能并获得疏水性,从而形成超疏水表面。Pan等
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基于新型飞秒激光技术,将不锈钢表面制备成具有一定抑菌能力的超疏水槽面。Wang等
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利用超快激光制备超疏水表面,发现液滴可以在结冰与融冰循环中实现wenzel状态到cassie状态的自发转变,澄清了转变的机理,明确了转变的三个设计准则和形成条件。这一发现,对于润湿性理论研究,尤其是超疏水表面的自清洁、抗结冰等广泛应用具有重要的学术和技术价值。
本文以纳米布沙漠甲虫背部亲/疏水间隔表面为仿生对象,通过正交实验,利用激光刻蚀在1060铝合金材料表面制备不同参数微结构,通过纳米二氧化硅修饰,进一步获得纳米结构,采用接触角测量仪分析不同微纳结构表面接触角,确定能够实现超疏水表面的最佳工艺参数,并进一步开展亲/疏水间隔表面的制备。在此基础上,开展冷凝集水实验,研究不同亲/疏水间隔参数对冷凝效率的影响,最终确定高效率空气集水仿生功能表面制备的最佳工艺参数。
1 实验材料与方案
1.1 实验材料及仪器
选择1060铝合金(GB/T3190—2008)板材作为超疏水仿生功能表面的基体材料,采用中走丝线切割机床(DK7732C,苏州市宝玛数控设备有限公司)将板材加工成尺寸为70 mm×50 mm× 1mm的矩形实验样品。为了保证铝合金样品表面光洁度的一致 性,分别采用600#、800#、1 200#金相砂纸(无锡港下精密砂纸厂)对样品表面进行打磨。打磨后的样品在超声波清洗机(CJ-040,深圳市超洁科技实业有限公司)中洗去油污和杂尘,随后利用高精度光纤激光刻蚀机(F50W,北京德美鹰华系统科技有限公司)在样品表面刻蚀微米级微结构阵列,进一步使用纳米二氧化硅试剂[粒径(50±5)nm,上海麦克林生化科技股份有限公司]对微结构表面进行修饰,获得微纳二级微结构表面。依据纳米布沙漠甲虫背部表面结构特征,使用掩模板制备不同参数亲/疏水间隔表面,利用接触角测量仪(JC2000D1,上海中晨数字技术设备有限公司)对各类参数表面随机选取5个不同位置进行接触角测量,取平均值为接触角。搭建基于半导体制冷片(XH-C1201,星河电子科技有限公司)的冷凝实验装置,在恒温恒湿条件下测试不同参数样品冷凝效率。
1.2 激光刻蚀处理
激光刻蚀线间距与激光刻蚀速度直接影响铝合金表面微结构尺寸,进而影响表面润湿性。为此,选取3个刻蚀线间距和5个刻蚀速度,开展正交实验,实验参数如表1所示。激光刻蚀机分辨率为0.001 mm,重复精度为0.001 mm,刻蚀微结构为微沟槽阵列,阵列尺寸范围为10 mm× 10 mm。
1.3 亲/疏水间隔表面制备
根据纳米布沙漠甲虫背部亲/疏水微结构特征,设置不同参数亲水与疏水区域尺寸,二者相间排列,如图1所示,具体分布尺寸参数如表2所示。亲/疏水间隔表面区域尺寸为45 mm×55 mm。使用镂空掩模板覆盖于铝合金样品表面,掩盖区域为原始金属表面,呈亲水状态。激光刻蚀后采用纳米二氧化硅试剂均匀喷涂,常温下干燥30 min后,测试表面接触角及冷凝效率。
1.4 冷凝集水实验
冷凝集水实验装置如图2所示,主要由太阳能光伏板(希凯德,36 V/200 W)、稳压器(希凯德,12 V/24 V)、散热风扇(12 V)、铝合金散热片、半导体制冷片(XH-C1201,星河电子科技有限公司)及本实验室制备的冷凝集水板组成,该集水板通过导热硅脂与半导体制冷片冷端贴合。为避免环境条件变化对冷凝集水实验造成影响,在恒温(26℃)与恒湿(68%)环境下进行冷凝实验。不同集水表面冷凝时间统一为15 min,由于短时间集水量较小,为了精确测量集水量,集水完成后使用吸水纸对各表面的冷凝水进行收集,用分析天平测量吸水纸在收集冷凝水前后的质量,两者差值即为该表面冷凝集水量。为避免实验误差,各表面进行三次冷凝集水实验,取其平均值为冷凝集水量。综合表面润湿性与冷凝集水效率,确定制备冷凝集水仿生功能表面的最佳亲/疏水间距参数。
2 实验结果与分析
2.1疏水仿生功能表面制备及润湿性测试
激光刻蚀线间距和刻蚀速度直接影响金属表面微结构刻蚀深度,进而影响表面润湿性。不同参数激光刻蚀表面如图3所示。
对各个样品表面接触角进行测量,液滴为去离子水,液滴体积为5μL,计算得到平均接触角如图4所示。可以看出,在线间距较小时,不同刻蚀速度下接触角基本保持不变,而线间距较大时,接触角随着刻蚀速度的增大而减小。当刻蚀速度大于1 300 mm/s、线间距大于0.15 mm时,测量结果接近无激光处理的原始表面接触角。当刻蚀线间距为0.2 mm、刻蚀速度为100 mm/s时,表面接触角最大,达到137.74°。
采用上述最佳疏水表面制备参数,通过激光刻蚀制备不同亲/疏水间距的仿生功能表面,并进一步采用纳米二氧化硅试剂均匀喷涂。在激光刻蚀和试剂喷涂过程中,使用掩模板对亲水部分进行遮盖,遮盖部分保持原始亲水表面。亲/疏水间距表面形貌如图5所示。
接触角测量过程中,由于液滴滴落位置具有随机性,故每个试样进行至少5次重复测试并取平均值,接触角测量结果如图6所示。
可以看出,在相同疏水间距条件下,亲水间距越小,接触角越大;而在相同亲水间距条件下,疏水间距越大,接触角越大。由此可以看出,亲水部分的存在会导致接触角下降,疏水部分所占比例越大,接触角越大。本实验中最大接触角为154.51°,此时,亲水间距与疏水间距分别为0.1 mm和1.5 mm。
2.2冷凝集水效率研究
空气中水蒸气凝结效率与固/气温差、固体表面状态、空气湿度、环境温度等因素有关。在恒温恒湿条件下,采用 自行搭建的实验装置开展冷凝集水效率实验。具有不同亲/疏水间距参数的试样表面集水区域面积为24.75 cm
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冷凝时间达到15 min时收集表面水分。图7所示为不同参数试样在15 min时刻的表面液滴凝结状态。可以看出,当亲水表面间距K较小时,冷凝状态受疏水表面所主导,液滴直径较小且分布较为均匀。随着亲水表面间距的增加,液滴形态发生显著变化,液滴在疏水表面凝结,达到一定体积后在亲水表面聚合,随后沿亲水通道顺势流下。然而,当亲水间距K过大且疏水间距L较小时,液滴无法在疏水表面有效凝聚并在临近亲水表面聚合,在整个表面呈均匀分布状态。
图8所示为不同试样表面集水量统计结果。可以发 现,增加亲水间距K和疏水间距L可以提高集水效率。
3结论
1)采用高精度激光刻蚀方法在铝合金表面制备疏水微结构,当刻蚀线间距为0.2mm、刻蚀速度为100 mm/s时,表面接触角最大为137.74°。
2)采用以上刻蚀参数制备亲/疏水间距表面,在纳米二氧化硅试剂修饰下,当亲/疏水间距分别为0.1mm 和1.5 mm时,接触角达到154.51°。
3)搭建了基于太阳能驱动的半导体制冷片冷凝集水装置,在恒温恒湿环境下,亲/疏间距都为1.5 mm 时分均集水量达到0.86 mg/cm
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[参考文献]
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2024年第23期第7篇
