一种用于高效环境水汽俘获的双面协同功能涂层的制备方法

摘要

本发明提供一种用于高效环境水汽俘获的双面协同功能涂层的制备方法，包括集水层的制备、辐射冷却功能粒子的制备和辐射冷却涂层的制备等步骤。纳米布沙漠甲虫因其背部独特的相间图案，能够在缺水的沙漠里靠收集空气中的小水滴维持生存。受此启发，本发明以铝片为基底通过掩膜喷涂得到润湿性相间图案以提高集水效率。然而，水滴冷凝过程中释放的热量会降低水收集速率。为了控制水滴的再蒸发速率，本发明在集水层的背面添加了辐射冷却层，以快速释放冷凝热量。辐射冷却层采用MgHPO4·0.78H2O作为功能粒子，P(VDF‑HFP)作为粘合剂。这种双面协同功能结构的集水装置制作简单，原材料绿色无污染，为开发新型淡水收集装置提供了一条新途径。

权利要求

1.一种用于高效环境水汽俘获的双面协同功能涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A．集水层的制备：将1.65‑1.69 g的Al2O3粉末和0.31‑0.35 g的TiO2粉末加入到20 mL乙醇中，搅拌均匀后加入0.2‑0.4 mL十六烷基三甲氧基硅烷再继续搅拌10 min；将1.3‑1.7 g环氧树脂和0.75 g固化剂加入该体系，最后将溶液超声20 min并继续搅拌得到乳白色疏水悬浊液涂料；以铝片为基底采用掩膜喷涂法制备疏水涂层，在喷涂过程中使用掩膜得到亲疏水相间的图案化表面，喷涂完成后将样品放置到烘箱中60 ℃干燥4 h；

B．辐射冷却功能粒子的制备：称取16.264 g的MgCl2· 6H2O粉末，用100 mL去离子水溶解；然后称取7.84 g的H3PO4，加入MgCl2· 6H2O水溶液中，磁力搅拌器室温搅拌2 h，期间用氨水控制滴加速度，缓慢调节pH值至8，再搅拌4 h，充分反应得到沉淀物；室温静置12‑24 h之后经过抽滤并洗涤得到白色固体，放入干燥烘箱中80 ℃干燥6‑8h，获得MgHPO4· 

0.78H2O粉末备用；

C．辐射冷却涂层的制备：将0.2 g的P(VDF‑HFP)逐次缓慢加入10 mL乙醇中并搅拌至澄清无气泡，然后将步骤B制备的粉末称取2.9 g少量逐次加入乙醇溶液中；接着将1.5 g环氧树脂和0.5 g固化剂加入溶液中并磁力搅拌30 min得到白色乳状粘稠液体；将液体滴涂到步骤A制备的集水层的背面然后放入60 ℃烘箱中干燥4‑8小时得到辐射冷却涂层。

2.如权利要求1所述的一种用于高效环境水汽俘获的双面协同功能涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤A中的Al2O3粉末为商用，粒径在30 nm， TiO2粉末为商用，粒径在25 nm。

3.如权利要求1所述的一种用于高效环境水汽俘获的双面协同功能涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤A中加入的改性剂十六烷基三甲氧基硅烷为0.4 mL。

4.如权利要求1所述的一种用于高效环境水汽俘获的双面协同功能涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤A中集水层采用掩膜喷涂的方法制备，喷涂距离为20 cm，喷头压强为

0.68 MPa。

说明书

一种用于高效环境水汽俘获的双面协同功能涂层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于梯度润湿性表面的制备技术领域，特别涉及在亲疏水相间表面用于淡水收集的，一种用于高效环境水汽俘获的双面协同功能涂层的制备方法。

背景技术

[0002] 从环境雾汽中收集水作为一种解决干旱地区和欠发达地区淡水资源紧缺的方法被广泛讨论。纳米布沙漠甲虫因其背部独特的相间图案，能够在缺水的沙漠里靠收集空气中的小水滴维持生存。撒哈拉银蚁能够在非洲沙漠极端炎热的环境下调节体温，得益于它们一系列密集排列、形状独特的三角形毛发，可以在全日照的条件下将热量散发到周围环境。受这两种生物启发的亲疏水相间表面结合背面辐射冷却技术显著提高了水收集的效率，为开发新型淡水收集装置提供了一条新途径。

[0003] 采用掩膜喷涂的方法，在铝片表面制备了亲疏水相间的集水层。为了提高集水效率，在集水层背面加入了辐射冷却层。利用MgHPO4·0.78H2O在太阳光谱波段(0.2‑2.5μm)的高反射率和大气窗口波段(8‑13μm)的高发射率，将热量辐射到外部环境来冷却表面。温度的降低有助于降低水滴的再蒸发速率，提高凝结速度，进而提高水收集效率。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种简单方便、经济实惠的高效集水装置。结合亲水表面和疏水表面的优点，加快了水滴的去除，冷却涂层解决了水滴凝结过程种释放热量导致再蒸发速率加快的问题。双面功能涂层的结合实现了高效集水，在解决淡水资源紧缺的问题上有一定的应用潜能。

[0005] 实现本发明目的的技术方案是：

[0006] 一种用于高效环境水汽俘获的双面协同功能涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

[0007] A.集水层的制备：将1.65‑1.69g的Al2O3粉末和0.31‑0.35g的TiO2粉末加入到20mL乙醇中，搅拌均匀后加入0.2‑0.4mL十六烷基三甲氧基硅烷再继续搅拌10min；将1.3‑1.7g环氧树脂和0.75g固化剂加入该体系，最后将溶液超声20min并继续搅拌得到乳白色疏水悬浊液涂料；以铝片为基底采用掩膜喷涂法制备疏水涂层，在喷涂过程中使用掩膜得到亲疏水相间的图案化表面，喷涂完成后将样品放置到烘箱中60℃干燥4h；

[0008] B.辐射冷却功能粒子的制备：称取16.264g的MgCl2·6H2O粉末，用100mL去离子水溶解；然后称取7.84g的H3PO4，加入MgCl2·6H2O水溶液中，磁力搅拌器室温搅拌2h，期间用氨水控制滴加速度，缓慢调节pH值至8，再搅拌4h，充分反应得到沉淀物；室温静置12‑24h之后经过抽滤并洗涤得到白色固体，放入干燥烘箱中80℃干燥6‑8h，获得MgHPO4·0.78H2O粉末备用；

[0009] C.辐射冷却涂层的制备：将0.2g的P(VDF‑HFP)逐次缓慢加入10mL乙醇中并搅拌至澄清无气泡，然后将步骤B制备的粉末称取2.9g少量逐次加入乙醇溶液中；接着将1.5g环氧树脂和0.5g固化剂加入溶液中并磁力搅拌30min得到白色乳状粘稠液体；将液体滴涂到步骤A制备的集水层的背面然后放入60℃烘箱中干燥4‑8小时得到辐射冷却涂层。

[0010] 进一步的，所述步骤A中的Al2O3粉末为商用，粒径在30nm，TiO2粉末为商用，粒径在25nm。

[0011] 进一步的，所述步骤A中加入的改性剂十六烷基三甲氧基硅烷为0.4mL。

[0012] 进一步的，所述步骤A中集水层采用掩膜喷涂的方法制备，喷涂距离为20cm，喷头压强为0.68MPa。

[0013] 进一步的，所述步骤B中辐射冷却功能粒子的制备中Mg元素和P元素的摩尔比为1：1配置。

[0014] 本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0015] 1.制备工艺简单，原料易得，成本低廉。

[0016] 2.该集水装置特殊的表面图案和背面的冷却效果将水收集效率提高了67.33％。

[0017] 3.该集水层的疏水区域接触角为147°，亲水区域接触角为76°。

[0018] 4.该集水装置的辐射冷却层可显著降低温度。

[0019] 5.该集水装置可多次循环利用，水的浸泡不影响性能。

附图说明

[0020] 图1：实施实例1所得集水装置的集水涂层对水的润湿情况和表面形貌(图a)、XPS谱图(图b)以及XPS元素分析(图c和d)。

[0021] 图2：实施实例1所得集水装置的辐射冷却层的太阳发射率和吸收率(图a和b)、XRD谱图(图c)、表面形貌(图e和f)以及辐射冷却功能粒子的电镜照片(图d)。

[0022] 图3：实施实例1所得集水装置的辐射冷却层的XPS元素分析(图a、b和c)、红外吸收光谱(图d)。

[0023] 图4：实施实例1所得集水装置的辐射冷却层的红外热成像图。

[0024] 图5：实施实例1所得图a为集水装置进行水收集实验的光学图片，图b为原始铝片、全喷涂疏水涂层的铝片、图案化喷涂疏水涂层的铝片以及在背后添加辐射冷却层之后的铝片在进行重复水收集实验的效率变化情况，图c为图案化表面的水滴生长示意图，图d为样品倾斜角度不同时对应的水收集效率。

[0025] 图6：实施实例1所得四种样品进行水收集实验不同时间的光学图片。

具体实施方式

[0026] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

[0027] 实施例1：

[0028] 1，集水层A的制备：将1.67g的Al2O3粉末和0.33g的TiO2粉末加入到20mL乙醇中，搅拌均匀后加入0.4mL十六烷基三甲氧基硅烷再继续搅拌10min。将1.5g环氧树脂和0.75g固化剂加入该体系，最后将溶液超声20min并继续搅拌得到乳白色超疏水悬浊液涂料。以铝片为基底采用掩膜喷涂法制备图案化表面的亲疏水相间涂层。喷涂距离为20cm，喷头压强为0.68MPa。喷涂完成后将样品放置到烘箱中60℃干燥4h。

[0029] 2，辐射冷却功能粒子B的合成：称取16.264g的MgCl2·6H2O粉末，用100mL去离子水溶解。然后称取7.84g的H3PO4，加入MgCl2·6H2O水溶液中，磁力搅拌器室温搅拌2h，期间用氨水控制滴加速度，缓慢调节pH值至8，再搅拌4h，充分反应得到沉淀物。室温静置24h之后经过抽滤并洗涤得到白色固体，放入干燥烘箱中80℃干燥6h，获得MgHPO4·0.78H2O粉末备用。

[0030] 3，辐射冷却涂层C的制备：将0.2g的P(VDF‑HFP)逐次缓慢加入10mL乙醇中并搅拌至澄清无气泡，然后将前面制备的粉末称取2.9g少量逐次加入乙醇溶液中。接着将1.5g环氧树脂和0.5g固化剂加入溶液中并磁力搅拌30min得到白色乳状粘稠液体。将液体滴涂到集水层的背面然后放入60℃烘箱中干燥4h得到辐射冷却涂层。

[0031] 实施例2：

[0032] 1，集水层A的制备：将1.67g的Al2O3粉末和0.33g的TiO2粉末加入到20mL乙醇中，搅拌均匀后加入0.2mL十六烷基三甲氧基硅烷再继续搅拌10min。将1.5g环氧树脂和0.75g固化剂加入该体系，最后将溶液超声20min并继续搅拌得到乳白色超疏水悬浊液涂料。以铝片为基底采用掩膜喷涂法制备图案化表面的亲疏水相间涂层。喷涂距离为20cm，喷头压强为0.2MPa。喷涂完成后将样品放置到烘箱中60℃干燥4h。

[0033] 2，辐射冷却功能粒子B的合成：称取16.264g的MgCl2·6H2O粉末，用100mL去离子水溶解。然后称取7.84g的H3PO4，加入MgCl2·6H2O水溶液中，磁力搅拌器室温搅拌2h，期间用氨水控制滴加速度，缓慢调节pH值至8，再搅拌4h，充分反应得到沉淀物。室温静置24h之后经过抽滤并洗涤得到白色固体，放入干燥烘箱中80℃干燥6h，获得MgHPO4·0.78H2O粉末备用。

[0034] 3，辐射冷却涂层C的制备：将0.2g的P(VDF‑HFP)逐次缓慢加入10mL乙醇中并搅拌至澄清无气泡，然后将前面制备的粉末称取2.9g少量逐次加入乙醇溶液中。接着将1.5g环氧树脂和0.5g固化剂加入溶液中并磁力搅拌30min得到白色乳状粘稠液体。将液体滴涂到集水层的背面然后放入60℃烘箱中干燥4h得到辐射冷却涂层。

[0035] 实施例3：

[0036] 1，集水层A的制备：将1.67g的Al2O3粉末和0.33g的TiO2粉末加入到20mL乙醇中，搅拌均匀后加入0.4mL十六烷基三甲氧基硅烷再继续搅拌10min。将1.5g环氧树脂和0.75g固化剂加入该体系，最后将溶液超声20min并继续搅拌得到乳白色超疏水悬浊液涂料。以铝片为基底采用掩膜喷涂法制备图案化表面的亲疏水相间涂层。喷涂距离为20cm，喷头压强为0.68MPa。喷涂完成后将样品放置到烘箱中60℃干燥4h。

[0037] 2，辐射冷却功能粒子B的合成：称取16.264g的MgCl2·6H2O粉末，用100mL去离子水溶解。然后称取7.84g的H3PO4，加入MgCl2·6H2O水溶液中，磁力搅拌器室温搅拌2h，期间用氨水控制滴加速度，缓慢调节pH值至8，再搅拌4h，充分反应得到沉淀物。室温静置12h之后经过抽滤并洗涤得到白色固体，放入干燥烘箱中80℃干燥8h，获得MgHPO4·0.78H2O粉末备用。

[0038] 3，辐射冷却涂层C的制备：将0.2g的P(VDF‑HFP)逐次缓慢加入10mL乙醇中并搅拌至澄清无气泡，然后将前面制备的粉末称取2.9g少量逐次加入乙醇溶液中。接着将1.5g环氧树脂和0.5g固化剂加入溶液中并磁力搅拌30min得到白色乳状粘稠液体。将液体滴涂到集水层的背面然后放入60℃烘箱中干燥8h得到辐射冷却涂层。

[0039] 总结：纳米布沙漠甲虫因其背部独特的相间图案，能够在缺水的沙漠里靠收集空气中的小水滴维持生存。受此启发，本发明以铝片为基底通过掩膜喷涂得到润湿性相间图案以提高集水效率。然而，水滴冷凝过程中释放的热量会降低水收集速率。为了控制水滴的再蒸发速率，本发明在集水层的背面添加了辐射冷却层，以快速释放冷凝热量。辐射冷却层采用MgHPO4·0.78H2O作为功能粒子，P(VDF‑HFP)作为粘合剂。这种双面协同功能结构的集水装置制作简单，原材料绿色无污染，为开发新型淡水收集装置提供了一条新途径。

[0040] 最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。