[发明专利]轻量化集水并自发输运的仿生装置及其制备方法

说明书

本发明公开一种轻量化集水并自发输运的仿生装置及其制备方法，该仿生装置采用PDMS材料作为集水壳，集水壳表面呈凹凸的波浪形，其凸起部分为凹槽处水滴起到了挡风作用，使得水滴不易被吹走。具体为该仿生装置包括：PDMS集水壳、储水容器和立杆；所述PDMS集水壳为PDMS材质的板球形壳体，其表面分布有沿经度方向凹槽；且所述PDMS集水壳表面分布有亲水区域；立杆的一端与储水容器相连，另一端支撑所述PDMS集水壳；所述PDMS集水壳表面亲水区域收集的水滴沿着所述PDMS集水壳表面的凹槽流至所述储水容器中。

技术领域

本发明涉及一种仿生装置，具体涉及一种轻量化集水并自发输运的仿生装置。

背景技术

自然界中许多生物表面不仅具有优异的集水特性，还具有定向输运水滴的能力，这一自然现象与生物表面微观结构密切相关。非洲纳米布沙漠甲虫以其在恶劣自然环境下的集水功能引起了研究者的广泛关注。科学家们观察到沙漠甲虫背部翅膀表面具有超亲水纹理和超疏水沟槽，能够从外界空气吸取水蒸汽，并将水滴输运至甲虫口中。这种利用表面微结构实现集水和水滴输运的方式，不仅有望为某些极端环境如沙漠、军队野外作战等提供淡水，亦可用作某些冷凝器的表面，以提升系统工作性能。

仿生集水系统研究是仿生材料力学与功能化表面设计及制备方向的一个研究热点，也是该学科前沿，近几年虽然得到了快速发展，但现有的一些集水设计不仅复杂，如在材料表面刻蚀微纳米级结构，借用电力能源等，而且造价昂贵，不能完全满足实际的工程需要，例如如何廉价简单的制备出有效集水且自发输运水的功能表面，如何制备能够输运水滴从而实现自清洁效果的汽车后视镜表面，等等。对于仿生集水且自发输运液滴的功能表面设计和制备，仍需要进一步深入探索和发展。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种轻量化集水并自发输运的仿生装置，能够实现表面自发集水和输运。

所述的轻量化集水并自发输运的仿生装置，包括：PDMS集水壳、储水容器和立杆；所述PDMS集水壳为PDMS材质的板球形壳体，其表面分布有沿经度方向的凹槽；且所述PDMS集水壳表面分布有亲水区；

所述立杆的一端与储水容器相连，另一端支撑所述PDMS集水壳；所述PDMS集水壳表面亲水区域收集的水滴沿着所述PDMS集水壳表面的凹槽流至所述储水容器中。

所述PDMS集水壳内表面的中心处设置有半球形凹槽；所述立杆与所述PDMS集水壳配合的一端设置有半球形凸起，通过所述半球形凸起与所述PDMS集水壳内部的半圆形凹槽配合，实现对所述支撑PDMS集水壳的支撑。

在所述PDMS集水壳表面沿经度方向和纬度方向均均匀间隔分布花形亲水区，花形亲水区域包括中心的大圆形区域和位于中心大圆形区域外围沿中心大圆形区域的周向均匀分布的两个以上小圆形区域。

此外，本发明提供一种轻量化集水并自发输运的仿生装置的制备方法：

步骤一：PDMS集水壳的制备：

所述PDMS集水壳取PDMS为原材料，制备PDMS集水壳的模具包括外壳模具、压盖和溅射外壳；所述外壳模具为半球形壳体结构，在外壳模具上设置有沿其经度方向条形凹槽；所述压盖为半球形结构，其平面端设置有圆形面板作为压板，且压板中心设置有手柄，球形面的中心位置设置有凸起的半球形压头；所述溅射外壳为半球形结构，其表面分布有溅射孔；

采用上述模具制备PDMS集水壳的过程为：

101、将PDMS与固化剂按质量比为10:1的配比形成PDMS溶液；

102、将搅拌均匀的PDMS溶液抽完真空后倒入外壳模具中，然后通过压盖的球形面所在端挤压外壳模具中的PDMS溶液，当所述压盖上平面端的压板与外壳模具的开口边缘接触时停止挤压，此时在外壳模具和压盖之间具有一层PDMS溶液，形成包括外壳模具、压盖和PDMS溶液的复合结构；