耦合楔形结构、二维尖端图案和三维锥形柱的集水表面

本发明属于集水，具体涉及一种耦合楔形结构、二维尖端图案和三维锥形柱的集水表面及其制备方法。

背景技术：

1、随着人口、经济和全球变暖的发展，人类对淡水的需求越来越迫切，这在干旱和半干旱的环境中尤为关键，因此，水的收集对于解决全球干旱地区的生活生产用水和灾后紧急供水方面具有重要的实际意义。现有技术中将仿生结构应用于集水表面的研究已经取得了一定进展，如通过在平面构建亲疏水结合图案形成的仿沙漠甲虫二维集水表面，尽管其疏水区可以将水滴驱动到亲水区，实现水滴的定向输运，但其主要缺陷在于：在亲水区，微小的水滴缓慢聚集，较大的表面张力将促使水滴黏附在亲水表面上，仅在水滴的重力大于黏附力时，水滴才会滑落，在这一过程中，水滴一直覆盖着集水表面，使集水表面暂时失去了集水能力，水滴持续收集受时间影响，显著降低了集水效率。因此要开发高效率的集水系统，需提高集水表面的集水效率并及时将水滴输运收集起来，以便释放出集水表面开始下一轮的水滴收集。

2、其次，采用化学合成或者物理生长的传统集水表面的微结构，还存在表面结构和性能不稳定、加工繁琐、无法多次循环利用、对环境污染等问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种耦合楔形结构、二维尖端图案和三维锥形柱的集水表面及其制备方法，集水表面既可以解决水滴的粘附问题、快速吸附空气中的微小水滴，又可以将水滴及时定向输运收集，显著提高集水效率，表面结构和性能更加稳定，可多次循环利用，对环境无污染，加工简易，便于维护，利于在集水领域推广应用。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种耦合楔形结构、二维尖端图案和三维锥形柱的集水表面，包括二维尖端图案化表面，所述二维尖端图案化表面包括若干呈尖端结构且相间分布的超亲水区和超疏水区，所述超亲水区设有若干楔形结构和矗立的三维锥形柱，若干楔形结构的头部朝向超亲水区底端单向连续铺展，所述三维锥形柱侧面设有纵向凹槽，所述楔形结构和三维锥形柱表面覆有超亲水涂层，所述超疏水区表面覆有超疏水涂层。

4、进一步的，所述超亲水区和超疏水区的尖端角度为5°-30°，所述三维锥形柱的底端直径为50μm-500μm，三维锥形柱的高度为80μm-1400μm，纵向凹槽的数量为2-8条。

5、超亲水区和超疏水区的尖端角度过小则不利于较大水滴的定向输运和覆层，尖端角度过大则不利于拉普拉斯压力对水滴的定向输运；三维锥形柱的底端直径过小则不利于三维锥形柱上微小水滴的聚集和集水表面加工，底端直径过大则不利于三维锥形柱上微小水滴吸附和定向输运，并导致单位集水面积上三维锥形柱数量减少；三维锥形柱的高度过大则在输运过程中增加水滴的蒸发损失，三维锥形柱的高度过小则不利于三维锥形柱提供吸附、聚集和定向输运水滴的充足路径；纵向凹槽数量过多则降低水滴由三维锥形柱向楔形结构的输运效率，纵向凹槽数量过少则降低三维锥形柱上吸附、聚集和定向输运水滴的效率；故通过各参数优化进一步使集水表面的集水效率可以达到3.7/h/cm2以上。

6、进一步的，所述超亲水区和超疏水区的尖端角度优选为10°-20°，集水表面的集水效率在4.0g/h/cm2以上。

7、进一步的，所述三维锥形柱矗立于楔形结构上方，利于充分发挥楔形结构的定向输运作用。

8、进一步的，所述超亲水区和超疏水区的尖端角度优选为15°-20°，所述三维锥形柱的底端直径优选为100μm-400μm，三维锥形柱的高度优选为200μm-1400μm，集水表面的集水效率在4.7g/h/cm2以上。

9、进一步的，所述纵向凹槽由三维柱形柱尖端延伸至根部，利用毛细力进一步提高对水滴的吸附、融合和定向输运收集效果，使空气中的微小水滴吸附在三维锥形柱尖端，并融合长大由尖端向根部定向输运。

10、进一步的，所述纵向凹槽的数量优选为4-6条，三维锥形柱的高度优选为200μm-1000μm，集水表面的集水效率在6.5g/h/cm2以上。

11、进一步的，所述楔形结构的空腔楔角为30°-65°、体长为300μm-720μm、拉升长度为360μm-650μm、椭圆半轴长为500μm-900μm、空腔长度为650μm-900μm，通过水滴的定向输运及时将水滴转移，释放装置的集水区域以进入下一轮的集水循环。

12、进一步的，所述二维尖端图案化表面用于水滴的收集和输运，所述超亲水区的尖端与超疏水区的底端相邻，超亲水区的底端与超疏水区的尖端相邻。

13、进一步的，所述超疏水区设有若干间隔设置的凹坑，进一步提高超疏水区的超疏水特性。

14、进一步的，所述凹坑的直径为200μm-400μm、深度为50μm-200μm，相邻凹坑的间距为200μm-400μm。

15、进一步的，所述超亲水涂层由聚乙烯醇和单宁酸交联制得，聚乙烯醇pva和单宁酸ta之间通过氢键交联为水凝胶涂料，可以进一步提高超亲水区的超性水特性。

16、进一步的，所述超疏水涂层包括经四乙氧基硅烷和h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷修饰的氟化sio2纳米颗粒，sio2纳米颗粒为超疏水涂层的制备提供粗糙度，四乙氧基硅烷和h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷作为低表面能物质修饰sio2纳米颗粒，可以进一步提高超疏水区的超疏水特性。

17、一种耦合楔形结构、二维尖端图案和三维锥形柱的集水表面的制备方法，其方法包括：

18、制备基底：3d打印耦合楔形结构、二维尖端图案和三维锥形柱的基底，所述二维尖端图案包括若干呈尖端结构且相间分布的超亲水区和超疏水区，所述楔形结构有若干个，若干楔形结构的头部朝向超亲水区底端单向连续铺展，所述三维锥形柱有若干个并分别矗立于超亲水区，三维锥形柱侧面设有若干纵向凹槽；

19、覆层：在所述基底的超亲水区涂超亲水涂料；在所述基底的超疏水区涂超疏水涂料；形成覆于楔形结构和三维锥形柱表面的超亲水涂层，覆于超疏水区表面的超疏水涂层后，获得集水表面。

20、进一步的，采用光固化3d打印机一次成型3d打印树脂材料制备基底，3d打印后用去离子水和乙醇分别超声冲洗，干燥，以获得洁净的基底表面，利于进一步涂层。

21、进一步的，涂超亲水涂料时，利用与超疏水区尺寸一致的尖端图案作为对准超疏水区的掩膜；涂超疏水涂料时，利用与超亲水区尺寸一致的尖端图案作为对准超亲水区的掩膜。

22、进一步的，其方法包括：

23、制备超亲水涂料：将聚乙烯醇和单宁酸溶于溶剂中获得混合溶液a，聚乙烯醇占混合溶液a的质量分数为1％-10％，所述单宁酸占混合溶液a的质量分数为1％-10％，混合溶液a在70-90oc下充分搅拌，获得pva-ta水凝胶涂料作为超亲水涂料；

24、在所述基底的超亲水区喷涂超亲水涂料，干燥形成超亲水涂层。

25、进一步的，混合溶液a在70-90oc下搅拌3-6h。

26、进一步的，配制混合溶液a的溶剂由去离子水和乙醇按体积比1:1组成。

27、进一步的，其方法包括：

28、制备涂超疏水涂料：将sio2纳米颗粒均匀分散在溶剂中并调节ph获得混合溶液b，sio2纳米颗粒占混合溶液b的质量分数为10％-25％，在混合溶液b中加入四乙氧基硅烷和h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷获得混合溶液c，所述四乙氧基硅烷占混合溶液c的体积分数为2％-6％，所述h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷占混合溶液c的体积分数为1％-4％，充分搅拌混合溶液c，获得氟化sio2纳米颗粒悬浮液作为超疏水涂料；

29、在所述基底的超疏水区涂覆超亲水涂料，干燥形成超疏水涂层。

30、进一步的，配制混合溶液b的溶剂为无水乙醇，用氨水溶液调节ph并在室温下搅拌30-60min，再超声搅拌5-10min，氨水溶液占混合溶液b的体积分数为5-10％，混合溶液c搅拌2-4h。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、(1)集水表面的集水过程中：二维尖端图案化表面的超亲水区经超亲水涂层修饰后增加超亲水特性，微小水滴被矗立于楔形结构上方的三维锥形柱快速吸附捕获后，由纵向凹槽产生毛细力，使微小水滴沿三维锥形柱的尖端向根部快速定向输运并融合凝聚成大水滴，解决水滴的黏附问题、快速吸附空气中的微小水滴。

33、二维尖端图案化表面采用相间分布的超亲水区和超疏水区形成亲疏相间润湿特性，超疏水区经超疏水涂层修饰后增加超疏水特性，使超疏水区可以将水滴快速驱动到超亲水区，有利于水的脱附，同时超亲水区表面水滴会在尖端几何结构产生的laplace压力驱动下，由超亲水区尖端输运到底端，配合超亲水区具有的楔形结构，利用楔形结构的毛细力实现水滴由超亲水区尖端向底端的快速定向输运，及时将水滴转移，释放集水表面的集水区域以进入下一轮的集水循环，保证水滴持续收集而不受时间的影响，这证明了水滴收集的稳定性，提高了集水效率。

34、综上，通过用于捕获水滴的三维锥形柱、可以引导水定向输运与收集的二维尖端图案化表面和楔形结构，受多种生物原型启发共同组成耦合多级结构，既可以解决水滴的粘附问题、快速吸附空气中的微小水滴，又可以将水滴及时定向输运收集到某个区域，实现高效集水，集水效率可以达到3.7/h/cm2以上，效率远高于同类传统集水表面。

35、(2)集水表面的制备方法通过3d打印，一次成型制备耦合基底，使三维锥形柱结构规则有序且与基底结合牢固，加工简易，对环境无污染，与化学合成或者物理生长的传统集水表面的微结构相比，经过至少20次循环测试集水效率基本保持不变，表面结构和性能更加稳定，维护成本低，投入低，持续产出高，克服了传统集水表面存在种种问题，适用于解决水资源输运调配不便且输运成本大的工程。

36、(3)进一步优化超亲水区和超疏水区的尖端角度、三维锥形柱的底端直径、三维锥形柱的高度、纵向凹槽的数量等，集水表面的集水效率可以达到7.5g/h/cm2。