[发明专利]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

说明书

本发明涉及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，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。

技术领域

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。

发明内容

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。