一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，屬于功能材料【技術(shù)領(lǐng)域】，所述仿生構(gòu)筑方法包括：模板的制備、PDMS的制備、磁性粒子在模板中分散、PDMS向模板澆鑄成模、PDMS固化、磁性圓錐陣列的磁化以及溶解模板法脫模等步驟。本發(fā)明的制備方法流程簡單，通過常見的模板法制備出具有較強磁響應(yīng)性、可用于高效連續(xù)集霧的圓錐形集霧材料陣列。采用本方法制得的磁響應(yīng)性集霧材料在磁場作用下的集霧效率要遠高于其在靜止狀態(tài)下的霧水收集效率，并且該材料具有較高的穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于科研，環(huán)保，生物等重要領(lǐng)域。
【專利說明】一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，解決了現(xiàn)有的必須在霧氣流條件下才能高效、持續(xù)集水的技術(shù)問題。

【背景技術(shù)】
[0002]水是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，全球水資源存在的兩大主要問題為水資源匱乏和水體污染嚴重。為解決嚴峻的水形勢，世界各國紛紛轉(zhuǎn)向非傳統(tǒng)水資源的開發(fā)，如污水再生，海水淡化和潛在水的利用等等。目前，霧氣作為一種潛在的水資源，其收集和利用越來越受到各界科研工作者的廣泛關(guān)注。受自然界生物仙人掌和蜘蛛絲的啟發(fā)，科研工作者們研究發(fā)明了多種類仙人掌刺和類蜘蛛絲結(jié)構(gòu)的集霧器件來緩解水資源匱乏的危機。這些器件能將霧氣轉(zhuǎn)化成可用水并實現(xiàn)水的定向輸運的因素主要有兩個:一是器件表面具有表面能梯度，二是器件結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生拉普拉斯壓差。然而，此類器件通常是在霧氣流條件下實現(xiàn)高效連續(xù)霧氣收集的，這不能很好適應(yīng)自然環(huán)境中有霧無風的情況。因此，如何改善現(xiàn)有方法中存在的缺陷已經(jīng)成為本領(lǐng)域研究人員急待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，用于實現(xiàn)在靜止霧氣氛中集霧的過程，該方法制備流程簡單，利用模板法可大規(guī)模復形制備出整齊規(guī)則的磁性圓錐陣列，通過磁鐵驅(qū)動其運動，實現(xiàn)了在靜止的霧氣氛中高效連續(xù)的霧氣收集。
[0004]本發(fā)明提出一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，具體包括以下幾個步驟:
[0005](I)模板的制備:在基底上機械壓制出一個倒圓錐形孔組成的陣列；
[0006](2)聚二甲基硅氧烷(PDMS)的制備:取一個燒杯，將PDMS本體與固化劑按照特定比例倒入燒杯中，用玻璃棒進行充分攪拌，待攪拌均勻后將燒杯放入真空干燥器中除氣備用；
[0007](3)將磁性粒子添加到步驟(I)中制備好的模板上表面，機械震蕩使磁性粒子均勻分散到孔陣列內(nèi)，分散后將模板表面殘余的磁性離子擦掉；
[0008](4)取出步驟(2)中制備好的PDMS，將其澆鑄在含有磁性粒子的模板上，然后將模板置于真空干燥器中除氣。為了得到磁化的圓錐陣列，除氣的過程中要將一塊永磁鐵置于模板的正下方；
[0009](5)取出步驟(4)中處理好的模板，置于烘箱中固化。一般優(yōu)選固化條件為在80°C下固化2?6h。
[0010](6)將步驟(5)中固化好的模板取出后，脫模，得到圓錐形磁響應(yīng)性集霧材料陣列，可以實現(xiàn)在靜止霧氣氛中進行霧水收集。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0012]1、本發(fā)明提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，制備方法簡單，原料易得，成本低廉。
[0013]2、本發(fā)明提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，可用于無氣流擾動情況下的靜止霧氣的高效持續(xù)收集，凈化空氣中的霧霾，去除廠房中的油霧，在環(huán)保等領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用。
[0014]3、本發(fā)明提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，該方法所制得的圓錐陣列無污染，可循環(huán)使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1:本發(fā)明提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法流程圖；
[0016]圖2:采用本發(fā)明方法制備的磁響應(yīng)性集霧材料的低倍電鏡照片(SEM)；
[0017]圖3:采用本發(fā)明方法制得的磁響應(yīng)性集霧材料中一根錐刺在靜止狀態(tài)下收集霧氣的照片；
[0018]圖4:采用本發(fā)明方法制得的磁響應(yīng)性集霧材料中一根錐刺在一定時間段內(nèi)磁驅(qū)動擺動收集霧氣并將霧氣轉(zhuǎn)化成的液滴定向輸運的照片。

【具體實施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0020]本發(fā)明提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，如圖1所示，該方法包括以下幾個步驟:
[0021](I)模板的制備:在透明的PVC板基底(PVC板的尺寸優(yōu)選為15mmX 15mmX 6mm)上機械壓制出一個由倒圓錐形孔形成的陣列(陣列中孔的參數(shù)優(yōu)選為孔深3mm，孔的最大直徑500 μ m?720 μ m,每兩個孔間的距離為400 μ m?750 μ m)。
[0022](2)PDMS的制備:取一個10mL燒杯，將PDMS本體與固化劑按照特定比例倒入其中(PDMS本體與固化劑的質(zhì)量比為5:1?20:1，優(yōu)選為10:1)，用玻璃棒進行充分攪拌，待攪拌均勻后將其放入真空干燥器中除氣(30?60min)備用；
[0023](3)將磁性粒子添加到步驟(I)中制備好的模板內(nèi)，機械震蕩使磁性粒子均勻分散到模板的孔陣列內(nèi)，分散后將模板表面上殘余的磁性粒子擦掉；
[0024]所述的磁性粒子可以是鈷粒子、四氧化三鐵粒子或釹鐵硼等磁響應(yīng)性粒子，磁性粒子的粒徑一般為20nm?2 μ m。
[0025](4)取出步驟(2)中制備好的PDMS，將其澆鑄在含有磁性粒子的模板上，然后置于真空干燥器中除氣(30?60min)，為了得到磁化的集霧材料，除氣的過程中要將模板水平放置，并將一塊永磁鐵(場強0.9T)置于模板平面的正下方。
[0026](5)取出步驟⑷中處理好的模板，置于烘箱中在80°C溫度下固化2?6h，在固化過程中要保證烘箱及烘箱內(nèi)模板處于水平位置，這樣可以保證固化后TOMS的表面水平，即各處的PDMS厚度均勻。
[0027](6)溶解模板法進行脫模，具體為:將步驟(5)中固化好的模板取出后，放入一10mL封口瓶中，再向封口瓶中加入50?80mL分析純的四氫呋喃，封好瓶蓋，在常溫下放置24?48h，至模板溶解后將磁性圓錐陣列從封口瓶中取出，用四氫呋喃清洗2?3次，再將其置于烘箱中干燥(在80°C的烘箱中干燥15?30min)，得到本發(fā)明的圓錐形磁響應(yīng)性集霧材料陣列(陣列優(yōu)化參數(shù)為圓錐高3mm，錐底直徑500 μ m,每兩根錐刺的錐底部邊緣之間的間距為400 μ m)，可以實現(xiàn)在靜止霧氣氛中的霧水收集。
[0028]采用本發(fā)明提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法處理的磁性圓錐陣列如圖2所示，用模板法制備的磁性圓錐陣列整齊，規(guī)則，同時具有較為粗糙的表面。采用本發(fā)明方法制備的磁性圓錐陣列有較強的磁響應(yīng)性，可以在磁場的作用下靈活擺動，并且在磁場撤離后又會恢復到最初的豎直狀態(tài)，具有良好的可逆性。選取陣列中的一根磁性錐刺為研究對象，圖3、4所示分別為在一定時間(60min)內(nèi)靜止錐刺的集霧量和在相同條件下相同時間，采用本發(fā)明方法得到的磁性錐刺在磁場作用下擺動收集到的霧氣的量。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，磁驅(qū)動下擺動的錐刺具有更大的集霧量，因此，本發(fā)明仿生構(gòu)筑了具有磁響應(yīng)性集霧材料的陣列來實現(xiàn)在靜止霧氣氛中大規(guī)模、高通量的霧水收集。
[0029]實施例1
[0030]本實施例提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，該方法包括以下幾個步驟:
[0031](I)模板的制備:在透明的聚氯乙烯(PVC)板(尺寸為15mmX 15mmX6mm)上機械壓制出一個由倒圓錐形孔形成的孔陣列(孔陣列的參數(shù)為孔深3mm，孔的最大直徑720 μ m,每兩個孔間的距離為750 μ m)。
[0032](2) PDMS的制備:取一個10mL燒杯，分別稱取1gPDMS本體，Ig固化劑，將PDMS本體與固化劑按照10:1的質(zhì)量比混合，用玻璃棒進行充分攪拌，待攪拌均勻后將其放入真空干燥器中除氣30min備用；
[0033](3)將粒徑為2 μ m的鈷粒子添加到步驟(I)中制備好的模板上孔陣列內(nèi)，機械震蕩使其分散均勻，分散后將模板外殘余的鈷離子擦掉；
[0034](4)取出步驟⑵中制備好的PDMS，將其緩慢澆鑄在含有鈷粒子的模板上，再把以上樣品置于真空干燥器中除氣30min，為了得到磁化的集霧材料，除氣的過程中要將一塊場強為0.9T的永磁鐵置于樣品的正下方。
[0035](5)取出步驟(4)中處理好的樣品，置于烘箱中在80°C下固化4h，在固化過程中要保證烘箱放置在水平位置。
[0036](6)將步驟(5)中固化好的樣品取出后，放入一 10mL封口瓶中，再向封口瓶中加入60mL分析純的四氫呋喃，封好瓶蓋，在常溫下放置36h，至模板溶解后將磁性圓錐陣列用鑷子從封口瓶中取出，再取一 50mL燒杯，向其中倒入25mL四氫呋喃，反復清洗樣品3次，再將其置于80°C的烘箱中干燥20min，得到本發(fā)明的圓錐形磁響應(yīng)性集霧材料陣列，可以實現(xiàn)在靜止霧氣氛中的霧水收集。
[0037]選取陣列中的一根磁性錐刺為研究對象，圖3、4所示分別為在一定時間(60min)內(nèi)靜止錐刺的集霧量和在相同條件下相同時間，采用本發(fā)明方法得到的磁性錐刺在磁場作用下擺動收集到的霧氣的量。計算得出，相同條件下，擺動的錐刺在相同時間內(nèi)收集到霧氣的量(體積量)是靜止錐刺的百倍以上。通過仿生構(gòu)筑具有磁響應(yīng)性的陣列材料可在靜止霧氣氛中實現(xiàn)大規(guī)模、高通量的霧水收集。
[0038]實施例2
[0039]本實施例提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，該方法包括以下幾個步驟:
[0040](I)模板的制備:在透明的PVC板(尺寸為20mmX20mmX6mm)上機械壓制出一個由倒圓錐形孔形成的孔陣列(孔陣列的參數(shù)為孔深3mm，孔的最大直徑500 μ m,每兩個孔間的距離為400 μ m)。
[0041](2) PDMS的制備:取一個10mL燒杯，分別稱取15gPDMS本體，3g固化劑，將PDMS本體與固化劑按照5:1的質(zhì)量比比例混合，用玻璃棒進行充分攪拌，待攪拌均勻后將其放入真空干燥器中除氣60min備用；
[0042](3)將粒徑為2 μ m的鈷粒子添加到步驟(I)中制備好的模板內(nèi)，機械震蕩使其分散均勻，分散后將模板外殘余的鈷離子擦掉；
[0043](4)取出步驟(2)中制備好的PDMS，將其緩慢澆鑄在含有鈷粒子的模板上，再把以上樣品置于真空干燥器中除氣60min，為了得到磁化的集霧材料，除氣的過程中要將一塊場強為0.9T的永磁鐵置于樣品的正下方。
[0044](5)取出步驟⑷中處理好的樣品，置于烘箱中在80°C下固化2h，在固化過程中要保證烘箱放置在水平位置。
[0045](6)將步驟(5)中固化好的樣品取出后，放入一 10mL封口瓶中，再向封口瓶中加入SOmL分析純的四氫呋喃，封好瓶蓋，在常溫下放置48h，至模板溶解后將磁性圓錐陣列用鑷子從封口瓶中取出，再取一 50mL燒杯，向其中倒入30mL四氫呋喃，反復清洗樣品3次，再將其置于80°C的烘箱中干燥15min，得到本發(fā)明的圓錐形磁響應(yīng)性集霧材料陣列，可以實現(xiàn)在靜止霧氣氛中的霧水收集。
[0046]實施例3
[0047]本實施例提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，該方法包括以下幾個步驟:
[0048](I)模板的制備:在透明的PVC板(尺寸為12mmX 12mmX6mm)上機械壓制出一個由倒圓錐形的孔形成的孔陣列(孔陣列的參數(shù)為孔深3mm，孔的最大直徑500 μ m,每兩個孔間的距離為400 μ m)。
[0049](2) PDMS的制備:取一個10mL燒杯，分別稱取1gPDMS本體，0.5g固化劑，將PDMS本體與固化劑按照20:1的質(zhì)量比比例混合，用玻璃棒進行充分攪拌，待攪拌均勻后將其放入真空干燥器中除氣30min備用；
[0050](3)將粒徑為20nm的四氧化三鐵粒子添加到步驟⑴中制備好的模板內(nèi)，機械震蕩使其分散均勻，分散后將模板外殘余的四氧化三鐵粒子擦掉；
[0051](4)取出步驟(2)中制備好的PDMS，將其緩慢澆鑄在含有四氧化三鐵粒子的模板上，再把以上樣品置于真空干燥器中除氣60min，為了得到磁化的集霧材料，除氣的過程中要將一塊場強為0.9T的永磁鐵置于樣品的正下方。
[0052](5)取出步驟(4)中處理好的樣品，置于烘箱中在80°C下固化6h，在固化過程中要保證烘箱放置在水平位置。
[0053](6)將步驟(5)中固化好的樣品取出后，放入一 10mL封口瓶中，再向封口瓶中加入50mL分析純的四氫呋喃，封好瓶蓋，在常溫下放置24h，至模板溶解后將磁性圓錐陣列用鑷子從封口瓶中取出，再取一 50mL燒杯，向其中倒入30mL四氫呋喃，反復清洗樣品3次，再將其置于80°C的烘箱中干燥30min，得到本發(fā)明的圓錐形磁響應(yīng)性集霧材料陣列，實現(xiàn)在靜止霧氣氛中的霧水收集。
[0054]實施例4
[0055]本實施例提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，該方法包括以下幾個步驟:
[0056](I)模板的制備:在透明的PVC板(尺寸為15mmX 15mmX6mm)上機械壓制出一個由倒圓錐形的孔形成的孔陣列(孔陣列的參數(shù)為孔深3mm，孔的最大直徑500 μ m,每兩個孔間的距離為400 μ m)。
[0057](2) PDMS的制備:取一個10mL燒杯，分別稱取15gPDMS本體，Ig固化劑，將PDMS本體與固化劑按照質(zhì)量比15:1的比例混合，用玻璃棒進行充分攪拌，待攪拌均勻后將其放入真空干燥器中除氣45min備用；
[0058](3)將粒徑為20nm的四氧化三鐵粒子添加到步驟(I)中制備好的模板內(nèi)，機械震蕩使其分散均勻，分散后將模板外殘余的四氧化三鐵粒子擦掉；
[0059](4)取出步驟(2)中制備好的PDMS，將其緩慢澆鑄在含有四氧化三鐵粒子的模板上，再把以上樣品置于真空干燥器中除氣30min，為了得到磁化的集霧材料，除氣的過程中要將一塊場強為0.9T的永磁鐵置于樣品的正下方。
[0060](5)取出步驟(4)中處理好的樣品，置于烘箱中在80°C下固化5h，在固化過程中要保證烘箱放置在水平位置。
[0061](6)將步驟(5)中固化好的樣品取出后，放入一 10mL封口瓶中，再向封口瓶中加入60mL分析純的四氫呋喃，封好瓶蓋，在常溫下放置36h，至模板溶解后將磁性圓錐陣列用鑷子從封口瓶中取出，再取一 50mL燒杯，向其中倒入25mL四氫呋喃，反復清洗樣品3次，再將其置于80°C的烘箱中干燥25min，得到本發(fā)明的圓錐形磁響應(yīng)性集霧材料陣列，實現(xiàn)在靜止霧氣氛中的霧水收集。
[0062]實施例5
[0063]本實施例提出的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，該方法包括以下幾個步驟:
[0064](I)模板的制備:在透明的PVC板(尺寸為20mmX20mmX6mm)上機械壓制出一個由倒圓錐形的孔形成的孔陣列(孔陣列的參數(shù)為孔深3mm，孔的最大直徑500 μ m,每兩個孔間的距離為400 μ m)。
[0065](2) PDMS的制備:取一個10mL燒杯，分別稱取16gPDMS本體，2g固化劑，將PDMS本體與固化劑按照質(zhì)量比8:1的比例混合，用玻璃棒進行充分攪拌，待攪拌均勻后將其放入真空干燥器中除氣60min備用；
[0066](3)將粒徑為2μπι的鈷粒子添加到步驟(I)中制備好的模板內(nèi)，機械震蕩使其分散均勻，分散后將模板外殘余的鈷粒子擦掉；
[0067](4)取出步驟⑵中制備好的PDMS，將其緩慢澆鑄在含有鈷粒子的模板上，再把以上樣品置于真空干燥器中除氣40min，為了得到磁化的圓錐陣列，除氣的過程中要將一塊場強為0.9T的永磁鐵置于樣品的正下方。
[0068](5)取出步驟(4)中處理好的樣品，置于烘箱中在80°C下固化3h，在固化過程中要保證烘箱放置在水平位置。
[0069](6)將步驟(5)中固化好的樣品取出后，放入一 10mL封口瓶中，再向封口瓶中加Λ SOmL分析純的四氫呋喃，封好瓶蓋，在常溫下放置48h，至模板溶解后將磁性圓錐陣列用鑷子從封口瓶中取出，再取一 50mL燒杯，向其中倒入30mL四氫呋喃，反復清洗樣品3次，再將其置于80°C的烘箱中干燥15min，得到本發(fā)明的圓錐形磁響應(yīng)性集霧材料陣列，實現(xiàn)在靜止霧氣氛中的霧水收集。
[0070]上述實施例中的磁性粒子還可以選擇釹鐵硼磁性粉末。實驗表明，通過本發(fā)明提供的方法制備得到的圓錐形磁響應(yīng)性集霧材料陣列，在磁驅(qū)動作用下，用于靜止霧水收集可以實現(xiàn)大規(guī)模、高通量的霧水收集。相比于沒有磁驅(qū)動擺動材料的霧水收集，集水量有顯著提高。
【權(quán)利要求】
1.一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，其特征在于:包括以下幾個步驟: 第一步，模板的制備:在基底上機械壓制出由倒圓錐形的孔形成的孔陣列； 第二步，聚二甲基硅氧烷的制備:取一個燒杯，將PDMS本體與固化劑按照特定比例倒入其中，用玻璃棒進行充分攪拌，待攪拌均勻后將其放入真空干燥器中除氣備用； 第三步，將磁性粒子添加到第一步中制備好的模板孔陣列內(nèi)，機械震蕩使磁性粒子分散均勻，分散后將模板孔陣列外殘余的磁性粒子擦掉； 第四步，取出第二步中制備好的聚二甲基硅氧烷，將其澆鑄在含有磁性粒子的模板上，置于真空干燥器中除氣，除氣的過程中要將一塊永磁鐵置于模板的正下方； 第五步，取出第四步中處理好的樣品，置于烘箱中固化； 第六步，將第五步中固化好的樣品取出后，脫模，得到圓錐形磁響應(yīng)性集霧材料陣列，實現(xiàn)在靜止霧氣氛中的霧水收集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，其特征在于:所述的第一步中的基底為透明的聚氯乙烯板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，其特征在于:所述的第二步與第四步中除氣時間均為30?60min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，其特征在于:所述的第三步中的磁性粒子為Co、Fe或釹鐵硼磁響應(yīng)性粒子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，其特征在于:第六步中脫模的具體方法為溶解模板法，具體操作為:將固化好的樣品放入一封口瓶中，再向封口瓶中加入分析純的四氫呋喃，封好瓶蓋，在常溫下放置24?48h，至模板溶解后將磁性圓錐陣列從封口瓶中取出，用四氫呋喃清洗2?3次，再將其置于烘箱中干燥，得到圓錐形磁響應(yīng)性集霧材料陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，其特征在于:第六步得到的磁驅(qū)動圓錐陣列中圓錐的高度為3mm，圓錐底部直徑為500μπι?720μπι，每兩根圓錐之間的間距為400 μ m?750 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有磁響應(yīng)性集霧材料的仿生構(gòu)筑方法，其特征在于:第五步中固化條件為在80°C下固化2?6h。
8.一種具有磁響應(yīng)性集霧材料，其特征在于:所述集霧材料為圓錐形磁性陣列，圓錐的高度為3mm，圓錐底部直徑為500 μ m?720 μ m,每兩根圓錐底部邊緣之間的間距為.400 μ m ?750 μ m。
【文檔編號】E03B3/28GK104131596SQ201410347407
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】劉克松, 賀雅旭, 楊帥, 江雷 申請人:北京航空航天大學