[发明专利]一种多生物仿生的雾水收集结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多生物仿生的雾水收集结构，所述雾水收集结构上表面分布有多个雾水收集单元，所述雾水收集单元上表面边缘为仿仙人掌刺的尖端结构且中间为仿铁兰叶气孔周围毛状体特殊凹陷结构，使雾水收集单元上表面呈超亲水微结构凸点与疏水区域相间的润湿梯度结构；所述相邻的雾水收集单元之间形成边缘为仿仙人掌刺的尖端结构的储水单元；多个雾水收集单元的分布，使整个雾水收集结构上表面呈仿沙漠甲虫背部各向异性润湿性结构。本发明采用具有一定拉伸性能的疏水材料即可制备，原料选择广，且采用圆台针阵列及飞秒激光双脉冲系统即可制备，工艺简单，可大规模制备。

技术领域

本发明属于雾水收集技术领域，具体涉及一种多生物仿生的雾水收集结构及其制备方法。

背景技术

淡水资源短缺已经成为一个严峻的全球性问题亟待解决。现今，海水淡化、废水处理被视为回收淡水的有效办法，但存在能耗大、效率低、工艺复杂等问题。雾水收集是指将空气中含有的隐性水资源转化为显性可利用水资源，是一种环保、低成本及可持续的缓解淡水稀缺的方法。

迄今为止，从空气中回收淡水的潜力尚未有效开发。目前，南美洲和中美洲已有大量网状结构投入到雾水收集中捕获雾滴。当雾滴增长到临界尺度时，自身重力大于粘附力，就会从网状物上脱落从而实现收集。然而，粗孔的网状物不能有效捕获悬浮在风中的微米级雾滴，回收效率低；而细孔的网状物又容易被液滴堵塞，难以实现有效收集，无法满足实际使用需求。

受大自然生物启发，科研工作者研究仿生雾水收集结构，专注于独特的微/纳米结构设计，从而实现雾水收集。然而，单一生物的仿生优势有限，存在雾水收集效率低，二次蒸发等问题。同时，目前关于仿生雾水收集结构的制备方法包括电化学法、光/机械光刻法、静电纺丝法等，都有其特定优点，但普遍存在制备工艺复杂、难以大规模制备等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种方法简单，能大规模制备的多生物仿生的雾水收集结构及其制备方法，构筑疏水-超亲水润湿梯度三维结构，实现高效雾水收集。

为实现上述目的，本发明采取的具体技术方案是：

一种多生物仿生的雾水收集结构，所述雾水收集结构上表面分布有多个雾水收集单元，所述雾水收集单元上表面边缘为仿仙人掌刺的尖端结构且中间为仿铁兰叶气孔周围毛状体特殊凹陷结构，使雾水收集单元上表面呈超亲水微结构凸点与疏水区域相间的润湿梯度结构；所述相邻的雾水收集单元之间形成边缘为仿仙人掌刺的尖端结构的储水单元；多个雾水收集单元的分布，使整个雾水收集结构上表面呈仿沙漠甲虫背部各向异性润湿性结构。

相应地，本发明还提供了上述多生物仿生的雾水收集结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)选择具有疏水性能的材料作为基底材料，制备基底材料溶液并进行预固化处理；

(2)将均匀的圆台针阵列插入预固化的基底材料溶液中，基底材料溶液上表面以悬链曲线的形式沿整个圆周在圆台针壁表面上升，溶液上表面产生均匀间隔的凹陷结构，同时获得被尖峰包围的储水单元阵列；

(3)待基底材料溶液固化后，脱模去除圆台针阵列，形成周期性微圆孔阵列，采用亲水材料对固化后基底材料样品进行亲水处理，基底材料样品从疏水向超亲水改性；

(4)采用飞秒激光双脉冲系统选择性去除基底材料样品上表面亲水改性层，使上表面形成超亲水微结构凸点与疏水区域相间的结构，获得疏水-超亲水润湿梯度三维结构。

优选地，所述基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

更优选地，所述基底材料溶液是由预聚物和固化剂按照重量比10:1混合而成。