空氣集水仿生功能表面制備及冷凝效率研究

摘 要：以非洲納米布沙漠甲蟲為仿生對象，研究其親/疏水表面間距分布形成的鞘翅表面集水原理，探究不同親/疏水間距對冷凝集水的影響，確定制備超疏水仿生功能表面的最佳工藝參數(shù)。采用激光刻蝕、化學(xué)修飾等方法制備疏水仿生功能表面，分析激光刻蝕參數(shù)和親/疏間距參數(shù)對表面潤濕性的影響規(guī)律，搭建基于太陽能驅(qū)動的半導(dǎo)體制冷片冷凝集水裝置，在恒溫恒濕環(huán)境下對不同親/疏水間距的仿生功能表面進(jìn)行冷凝集水實驗。實驗結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)激光刻蝕速度和線間距能夠獲得具有不同接觸角的疏水表面，親/疏水相間分布時，疏水部分比例越大則整體接觸角越大，經(jīng)過化學(xué)修飾，最大接觸角為154.51°，當(dāng)親/疏間距尺寸都為1.5 mm時，仿生功能表面冷凝集水效率最高，分均集水量為0.86 mg/cm2。

關(guān)鍵詞：超疏水；激光加工；空氣集水；冷凝；仿生

中圖分類號：TB302" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0030-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.007

0" " 引言

水資源短缺是全球長期面臨的重大基礎(chǔ)性難題，對區(qū)域經(jīng)濟社會的進(jìn)步和人類自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅[1]?？茖W(xué)家們?yōu)榱司徑馑Y源短缺問題和干旱現(xiàn)象，提出了各種方法與措施，如人工降雨、海水淡化等，但這些方法存在成本高、對能源依賴程度大等問題，這在一定程度上限制了這些方法的進(jìn)一步應(yīng)用。如何清潔、高效地獲取淡水資源，成為亟待科學(xué)家們解決的問題。全世界淡水資源總量的10%以水蒸氣的形式存在于空氣中，若能將這一部分淡水資源以較低的成本加以利用，將大大緩解部分區(qū)域水資源短缺的問題。自然界中存在許多動物或植物可以從空氣中獲取水分，如玫瑰花瓣和水稻葉片等，由于表面特殊的微納結(jié)構(gòu)，能夠在表面形成液滴[2]；蜘蛛絲同樣因為表面纖維結(jié)構(gòu)，能夠捕獲空氣中的水分[3]。這些自然界中的生物從空氣中收集水分的方法為人類提供了借鑒。學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)，材料表面特殊的微納結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)超疏水功能，而這種功能表面是實現(xiàn)空氣集水的重要條件。

超疏水表面一般是指表面接觸角大于150°的平面[4]。超疏水表面制備方法主要分為化學(xué)涂覆法和刻蝕法兩種[5]。化學(xué)涂覆法主要通過在基體材料表面涂覆一層低表面能化學(xué)試劑，形成一層化學(xué)薄膜，降低基體材料表面能，減小與水的相互作用，從而形成超疏水表面，獲得疏水性。Gu等[6]設(shè)計了一種單元胞顆粒，將其分散于不同樹脂中，可同時賦予涂層超疏水性和機械穩(wěn)定性，克服傳統(tǒng)化學(xué)涂覆法制備的超疏水表面耐磨性、持久性不足的缺陷。刻蝕法主要分為激光刻蝕法與化學(xué)刻蝕法，兩者的共同之處都是在基體材料表面進(jìn)行刻蝕，改變其表面粗糙度和表面能并獲得疏水性，從而形成超疏水表面。Pan等[7]基于新型飛秒激光技術(shù)，將不銹鋼表面制備成具有一定抑菌能力的超疏水槽面。Wang等[8]利用超快激光制備超疏水表面，發(fā)現(xiàn)液滴可以在結(jié)冰與融冰循環(huán)中實現(xiàn)Wenzel狀態(tài)到Cassie狀態(tài)的自發(fā)轉(zhuǎn)變，澄清了轉(zhuǎn)變的機理，明確了轉(zhuǎn)變的三個設(shè)計準(zhǔn)則和形成條件。這一發(fā)現(xiàn)，對于潤濕性理論研究，尤其是超疏水表面的自清潔、抗結(jié)冰等廣泛應(yīng)用具有重要的學(xué)術(shù)和技術(shù)價值。

本文以納米布沙漠甲蟲背部親/疏水間隔表面為仿生對象，通過正交實驗，利用激光刻蝕在1060鋁合金材料表面制備不同參數(shù)微結(jié)構(gòu)，通過納米二氧化硅修飾，進(jìn)一步獲得納米結(jié)構(gòu)，采用接觸角測量儀分析不同微納結(jié)構(gòu)表面接觸角，確定能夠?qū)崿F(xiàn)超疏水表面的最佳工藝參數(shù)，并進(jìn)一步開展親/疏水間隔表面的制備。在此基礎(chǔ)上，開展冷凝集水實驗，研究不同親/疏水間隔參數(shù)對冷凝效率的影響，最終確定高效率空氣集水仿生功能表面制備的最佳工藝參數(shù)。

1" " 實驗材料與方案

1.1" " 實驗材料及儀器

選擇1060鋁合金（GB/T 3190—2008）板材作為超疏水仿生功能表面的基體材料，采用中走絲線切割機床（DK7732C，蘇州市寶瑪數(shù)控設(shè)備有限公司）將板材加工成尺寸為70 mm×50 mm×1 mm的矩形實驗樣品。為了保證鋁合金樣品表面光潔度的一致性，分別采用600#、800#、1 200#金相砂紙（無錫港下精密砂紙廠）對樣品表面進(jìn)行打磨。打磨后的樣品在超聲波清洗機（CJ-040，深圳市超潔科技實業(yè)有限公司）中洗去油污和雜塵，隨后利用高精度光纖激光刻蝕機（F50W，北京德美鷹華系統(tǒng)科技有限公司）在樣品表面刻蝕微米級微結(jié)構(gòu)陣列，進(jìn)一步使用納米二氧化硅試劑[粒徑（50±5）nm，上海麥克林生化科技股份有限公司]對微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行修飾，獲得微納二級微結(jié)構(gòu)表面。依據(jù)納米布沙漠甲蟲背部表面結(jié)構(gòu)特征，使用掩模板制備不同參數(shù)親/疏水間隔表面，利用接觸角測量儀（JC2000D1，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司）對各類參數(shù)表面隨機選取5個不同位置進(jìn)行接觸角測量，取平均值為接觸角。搭建基于半導(dǎo)體制冷片（XH-C1201，星河電子科技有限公司）的冷凝實驗裝置，在恒溫恒濕條件下測試不同參數(shù)樣品冷凝效率。

1.2" " 激光刻蝕處理

激光刻蝕線間距與激光刻蝕速度直接影響鋁合金表面微結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)而影響表面潤濕性。為此，選取3個刻蝕線間距和5個刻蝕速度，開展正交實驗，實驗參數(shù)如表1所示。激光刻蝕機分辨率為0.001 mm，重復(fù)精度為0.001 mm，刻蝕微結(jié)構(gòu)為微溝槽陣列，陣列尺寸范圍為10 mm×10 mm。

1.3" " 親/疏水間隔表面制備

根據(jù)納米布沙漠甲蟲背部親/疏水微結(jié)構(gòu)特征，設(shè)置不同參數(shù)親水與疏水區(qū)域尺寸，二者相間排列，如圖1所示，具體分布尺寸參數(shù)如表2所示。親/疏水間隔表面區(qū)域尺寸為45 mm×55 mm。使用鏤空掩模板覆蓋于鋁合金樣品表面，掩蓋區(qū)域為原始金屬表面，呈親水狀態(tài)。激光刻蝕后采用納米二氧化硅試劑均勻噴涂，常溫下干燥30 min后，測試表面接觸角及冷凝效率。

1.4" " 冷凝集水實驗

冷凝集水實驗裝置如圖2所示，主要由太陽能光伏板（希凱德，36 V/200 W）、穩(wěn)壓器（希凱德，12 V/

24 V）、散熱風(fēng)扇（12 V）、鋁合金散熱片、半導(dǎo)體制冷片（XH-C1201，星河電子科技有限公司）及本實驗室制備的冷凝集水板組成，該集水板通過導(dǎo)熱硅脂與半導(dǎo)體制冷片冷端貼合。為避免環(huán)境條件變化對冷凝集水實驗造成影響，在恒溫（26 ℃）與恒濕（68%）環(huán)境下進(jìn)行冷凝實驗。不同集水表面冷凝時間統(tǒng)一為15 min，由于短時間集水量較小，為了精確測量集水量，集水完成后使用吸水紙對各表面的冷凝水進(jìn)行收集，用分析天平測量吸水紙在收集冷凝水前后的質(zhì)量，兩者差值即為該表面冷凝集水量。為避免實驗誤差，各表面進(jìn)行三次冷凝集水實驗，取其平均值為冷凝集水量。綜合表面潤濕性與冷凝集水效率，確定制備冷凝集水仿生功能表面的最佳親/疏水間距參數(shù)。

2" " 實驗結(jié)果與分析

2.1" " 疏水仿生功能表面制備及潤濕性測試

激光刻蝕線間距和刻蝕速度直接影響金屬表面微結(jié)構(gòu)刻蝕深度，進(jìn)而影響表面潤濕性。不同參數(shù)激光刻蝕表面如圖3所示。

對各個樣品表面接觸角進(jìn)行測量，液滴為去離子水，液滴體積為5 μL，計算得到平均接觸角如圖4所示?？梢钥闯?，在線間距較小時，不同刻蝕速度下接觸角基本保持不變，而線間距較大時，接觸角隨著刻蝕速度的增大而減小。當(dāng)刻蝕速度大于1 300 mm/s、線間距大于0.15 mm時，測量結(jié)果接近無激光處理的原始表面接觸角。當(dāng)刻蝕線間距為0.2 mm、刻蝕速度為100 mm/s時，表面接觸角最大，達(dá)到137.74°。

采用上述最佳疏水表面制備參數(shù)，通過激光刻蝕制備不同親/疏水間距的仿生功能表面，并進(jìn)一步采用納米二氧化硅試劑均勻噴涂。在激光刻蝕和試劑噴涂過程中，使用掩模板對親水部分進(jìn)行遮蓋，遮蓋部分保持原始親水表面。親/疏水間距表面形貌如圖5所示。

接觸角測量過程中，由于液滴滴落位置具有隨機性，故每個試樣進(jìn)行至少5次重復(fù)測試并取平均值，接觸角測量結(jié)果如圖6所示。

可以看出，在相同疏水間距條件下，親水間距越小，接觸角越大；而在相同親水間距條件下，疏水間距越大，接觸角越大。由此可以看出，親水部分的存在會導(dǎo)致接觸角下降，疏水部分所占比例越大，接觸角越大。本實驗中最大接觸角為154.51°，此時，親水間距與疏水間距分別為0.1 mm和1.5 mm。

2.2" " 冷凝集水效率研究

空氣中水蒸氣凝結(jié)效率與固/氣溫差、固體表面狀態(tài)、空氣濕度、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。在恒溫恒濕條件下，采用自行搭建的實驗裝置開展冷凝集水效率實驗。具有不同親/疏水間距參數(shù)的試樣表面集水區(qū)域面積為24.75 cm2，冷凝時間達(dá)到15 min時收集表面水分。圖7所示為不同參數(shù)試樣在15 min時刻的表面液滴凝結(jié)狀態(tài)?？梢钥闯?，當(dāng)親水表面間距K較小時，冷凝狀態(tài)受疏水表面所主導(dǎo)，液滴直徑較小且分布較為均勻。隨著親水表面間距的增加，液滴形態(tài)發(fā)生顯著變化，液滴在疏水表面凝結(jié)，達(dá)到一定體積后在親水表面聚合，隨后沿親水通道順勢流下。然而，當(dāng)親水間距K過大且疏水間距L較小時，液滴無法在疏水表面有效凝聚并在臨近親水表面聚合，在整個表面呈均勻分布狀態(tài)。

圖8所示為不同試樣表面集水量統(tǒng)計結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，增加親水間距K和疏水間距L可以提高集水效率。

3" " 結(jié)論

1）采用高精度激光刻蝕方法在鋁合金表面制備疏水微結(jié)構(gòu)，當(dāng)刻蝕線間距為0.2 mm、刻蝕速度為100 mm/s時，表面接觸角最大為137.74°。

2）采用以上刻蝕參數(shù)制備親/疏水間距表面，在納米二氧化硅試劑修飾下，當(dāng)親/疏水間距分別為0.1 mm和1.5 mm時，接觸角達(dá)到154.51°。

3）搭建了基于太陽能驅(qū)動的半導(dǎo)體制冷片冷凝集水裝置，在恒溫恒濕環(huán)境下，親/疏間距都為1.5 mm時分均集水量達(dá)到0.86 mg/cm2。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 薛祥山，章雨欣.從碳達(dá)峰到水達(dá)峰：觀我國水戰(zhàn)略及創(chuàng)新發(fā)展[J].水利發(fā)展研究，2024，24（5）：17-23.

[2] 豐靜.仿生超潤濕表面的制備及其水霧收集性能研究[D].武漢：湖北大學(xué)，2020.

[3] PARKER A R，LAWRENCE C R.Water capture by a desert beetle[J].Nature，2001（414）：33-34.

[4] FENG L，LI S，LI Y，et al.Super-hydrophobic surfaces：from natural to artificial[J].Advanced Materials，2002，14（24）：1857-1860.

[5] 趙美蓉，周惠言，康文倩，等.超疏水表面制備方法的比較[J].復(fù)合材料學(xué)報，2021，38（2）：361-379.

[6] GU W C，LI W B，ZHANG Y，et al.Ultra-durable superhy-drophobic cellular coatings[J].Nature Communica-tions，2023（14）：5953.

[7] PAN Q F，CAO Y，XUE W，et al.Picosecond laser-textured stainless steel superhydrophobic surface with an antibacterial adhesion property[J].Langmuir，2019，35（35）：11414-11421.

[8] WANG L Z，TIAN Z，JIANG G C，et al.Spontaneous dewetting transitions of droplets during icing amp; melting cycle[J].Nature Communications，2022（13）：378.

收稿日期：2024-08-27

作者簡介：鄧?yán)よI（2001—），男，湖南永州人，研究方向：機械裝備設(shè)計與應(yīng)用。

通信作者：劉洋（1987—），男，吉林遼源人，博士，講師，研究方向：微成形技術(shù)與裝備。