[發明專利]一種誘導近壁團簇凝結的仿生捕水強化表面結構及制備方法

有效

• 申請號: 202210574101.4
• 申請日: 2022-05-25
• 公開（公告）號: CN114809191B
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 蘭忠;馬磊;李啟凡;溫榮福;馬學虎
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B63J1/00
• 分類號: B63J1/00;E03B3/28;B22F3/10
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 許明章;王海波

本發明屬于冷凝集水和微電子等材料制備領域，一種誘導近壁團簇凝結的仿生捕水強化表面結構及制備方法。該方法仿照天竺葵葉片表面上分布著數目巨大的纖毛結構在濕氣水捕獲中的效應，利用近平衡凝結過程中固相介質表面附近富集團簇分布的特點，在強化表面的設計構建中引入近壁空間的結構，并根據團簇演化理論設計了近壁空間結構的特定離壁高度。該仿生表面顯著提高了濕氣中的水汽捕獲效率，并且所設計和制備的強化結構具有穩定的機械強度，結構尺寸在制備上具有高可控性，可以廣泛應用于高濕度場合的水汽捕獲或環境除濕。與其它凝結過程強化表面設計主要聚焦于表面基底的潤濕特性改性不同，本發明聚焦于誘導團簇凝聚而設計了近壁空間結構。

技術領域

本發明涉及冷凝集水和微電子等材料制備領域，涉及一種誘導近壁團簇凝結的仿生捕水強化表面結構及制備方法。

背景技術

水是自然環境中最豐富的資源，但是鹽水幾乎占地球上所有水的96.54％，直接提供給人們的淡水只是0.36％，主要來自冰凍的冰川，極地冰蓋和未凍結的地下水，還有10%左右存在于空氣中。如果能夠收集利用空氣中存在的水蒸氣，缺水問題將會得到極大的緩解。因此，潮濕空氣中水的捕獲是淡水獲取、減濕等生產生活中的關鍵技術之一，其中優異的集水功能表面設計是研究熱點。目前大多數集水表面主要是表面的親、疏水組合結構來強化冷凝液滴的輸運過程，很少涉及表面的空間結構。實際上，自然生物的優異捕水結構都具有一定的空間結構，例如天竺葵葉片上分布著數目巨大的高度為300 μm左右的纖毛，同樣在仙人掌脊柱上和碰碰香表面上也發現了類似的纖毛。這是因為近壁空間團簇存在一定的空間分布，空間結構的存在可以加速團簇的演化，增加稀薄水汽的碰撞概率，從而實現冷凝過程的強化。

因此本發明從植物葉片表面的纖毛結構出發，利用空間結構誘導近壁空間團簇的演化成核，實現表面捕水能力的強化。

發明內容

本發明的目的在于解決沿海、船舶和工業生產中的集水和除濕問題，提出了一種用于高濕度地區集水、除濕的仿天竺葵表面的設計、制備方法。

本發明的技術方案：

一種誘導近壁團簇凝結的仿生捕水強化表面結構，所述的仿生捕水強化表面結構主要由基底表面和空間結構表面兩部分組成；基底表面為帶有水流通道的銅表面，水流通道的深度為0.5 mm，寬度為0.5 mm，長為10~18 mm；基底表面的直徑為28 mm，厚度為2 mm；空間結構表面由銅粉燒結而成，銅柱的直徑為2 mm，高度為200 μm ~900 μm，相鄰兩銅柱之間的距離為1 mm。

一種誘導近壁團簇凝結的仿生捕水強化表面結構的制備方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：銅基底的制備：將打磨后的銅基板分別用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗，清洗后的銅基板雕刻出深度0.5 mm、寬度0.5 mm、長度10~18mm的水流通道；

步驟2：制備多孔銅柱所需的石墨模板：在石墨模板一表面雕刻出帶有若干個孔的石墨模板，其中孔的深度為200~900 μm，孔的直徑為2 mm，孔之間的間距為1mm；同時在石墨模板另一表面上雕刻出直徑為28 mm的圓形凹槽，圓形凹槽與孔相通，用于放置銅基底；

步驟3：將步驟1處理好的銅基底放入石墨模板的凹槽內，此時銅基底直接與石墨模板上的孔相連，在孔內填充銅粉，銅粉直徑為10~150 μm，銅粉填充完畢后，將石墨模板用夾具夾緊；

步驟4：銅基底與銅柱的燒結：將所得的石墨模板與銅基底的組合結構放入真空燒結爐中進行銅粉燒結，在900℃~1100℃條件下，燒結30min，將多孔銅柱與銅基底燒結在一起；

步驟5：將所得表面用0.0025mol/L十八烷基硫醇的乙醇溶液處理，得到疏水的空間結構表面，然后將表面上的多孔銅柱進行覆蓋，用等離子體將表面處理成親水表面；此時由于多孔銅柱被包裹維持疏水，銅基底經等離子體處理之后保持親水。

本發明的有益效果：