一种可转换液滴移动方式的人造树叶的制备方法

摘要

本发明涉及一种可转换液滴移动方式的人造树叶的制备方法，该方法是指：先将超亲水溶液均匀喷涂在经清洗除杂、干燥后的叶脉表面，静置干燥，即得修饰后的叶脉；然后将所述修饰后的叶脉平铺到经80℃水浴加热后的聚己内酯(PCL)片表面，并置于两个玻璃板之间进行热压，直至冷却至室温，即得叶脉被挤压进聚己内酯表面的样品；最后，将超疏水溶液均匀喷涂在所述样品表面，静置干燥，将所述叶脉揭下，即得亲疏水相间的人造叶片。本发明工艺简单，原料易得，所得亲疏水表面既可以单向运输液滴，又可以多向运输液滴，两种模式可通过叶片的正放和倒置自由转换，提高了水收集效率。适合工业化制备和应用。

说明书

技术领域

本发明涉及水收集和定向运输水的材料的制备技术领域，尤其涉及一种可转换液滴移动方式的人造树叶的制备方法。

背景技术

受乔木集水的启发，许多研究人员将目光聚集树木或树叶结构的研究上。用于操控液滴的表面很多是依赖于外部能量的，包括磁场、电场、化学反应等，对外部能量的依赖限制了这些方法的应用范围，因此出现了通过在表面创建图案来构建能量梯度和拉普拉斯力梯度的方法，来自发地定向运输液滴。除此之外，此类表面一般只用于液滴的单向运输，很少研究液滴的多向运输，尤其对于同时用于液滴单向和多向运输的表面的研究更少。而且用于多向运输的表面一般制备也较为繁杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、方便、易于工业化生产的可转换液滴移动方式的人造树叶的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种可转换液滴移动方式的人造树叶的制备方法，其特征在于：先将超亲水溶液按0.01~0.1g/cm

所述叶脉是指橡胶树叶、玉兰树叶和菩提树叶中的一种。

所述超亲水溶液是指将纳米二氧化硅与无水乙醇按1；20的质量体积比分散均匀制得。

所述热压的载荷为8~12kg。

所述超疏水溶液是指将纳米二氧化钛加入到无水乙醇中，搅拌均匀后向其中加入全氟辛基三氯硅烷，搅拌20分钟，即得；所述纳米二氧化钛与所述无水乙醇的质量体积比为1；20；所述全氟辛基三氯硅烷与所述无水乙醇的体积比为3：1000。

所述喷涂的压力为0.2 MPa。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明以廉价、环保、力学性能优异的聚己内酯(PCL)为基底，扩大了使用范围。

2、本发明通过PCL对超亲水纳米粒子的粘附，并利用PCL较低的熔点，实现了PCL上叶脉纹路的微立体复刻和选择性的亲水修饰，从而仅通过图案引起的结构梯度和拉普拉斯力梯度实现水滴的定向运输。

3、本发明制备流程简单，反应原料简单易得。

4、本发明采用喷涂方法制备的亲疏相间表面适合工业化制备和应用。

5、本发明制备的亲疏相间的人造树叶表面增强了雾水捕获和雾水排出的过程，因而增强了雾水的收集效率。

6、本发明制备的亲疏水相间的仿生树叶不仅具有单向运输水滴的功能，当仿生树叶倒放时还可以实现泵送水滴的功能，即实现水滴的多向运输。同时，仅通过旋转样品，正放和倒放仿生树叶就可以实现单向运输和多向运输水滴的功能的转换。

7、对采用本发明方法制备的样品进行对比实验，显示其性能良好。

以原始PCL表面作为样品pristine、喷涂有超亲水溶液的PCL表面作为超亲水样品、喷涂有超疏水溶液的PCL表面作为超疏水样品、只印刻有叶脉纹路的PCL表面作为样品ALWW、印刻有叶脉纹路的同时修饰成超疏水的PCL表面作为样品SHBAL、以按照实施例1中步骤制备印刻有叶脉纹路的亲疏水相间的PCL表面作为样品AL（如图2所示）。其中：pristine指的是原始样品，AL指的是人造树叶，WW指的是没有特殊润湿性，SHB指的是超疏水。

【润湿性测试】在室温大气环境下，取10 μL去离子水滴在样品表面，分别测得了原始样品，超亲水和超疏水样品表面的接触角和滚动角。如图3所示，其中，原始样品的接触角大约为79°，表现了一个正常的润湿性；超亲水样品的接触角大约为19°，证明了表面的超亲水性能；超疏水样品的接触角大约为150°，滚动角大约为6°，表现了良好的超疏水性能。

【熔点测试及拉伸应力测试】通过热分析仪测试发现，如图4所示，原始PCL的熔点大约为64.5°，分解温度大约为338°，这说明80℃的水浴加热就可以使PCL熔化同时对又不会分解；观察样品的拉伸曲线发现，原始PCL在20.9MPa下拉长至549%才断裂，这体现了样品良好的力学性能。

【定向运输水及其运输速率测试】将采用实施例1制备的橡胶，玉兰，菩提AL样品倾斜60°，在样品表面不同位置滴上水滴，静置一段时间发现，原位置的水滴消失，主脉底部不断有水滴出现并滴落，证明了制备的人造树叶有优异的定向运输效果

在采用实施例1制备的橡胶，玉兰，菩提AL样品表面滴上染色的水滴，观察其扩散过程和运输路径。如图5(a)和(b)所示具有规整的分级结构的橡胶AL样品表面主要是由稍脉向侧脉运输，最终扩散至主脉。但具有网络结构的玉兰和菩提AL样品表面的水滴各个方向均有扩散，定向运输效果稍差。

在采用实施例1制备的橡胶，玉兰，菩提AL样品表面的不同位置滴上1 μL水滴，观察不同样品不同位置水滴扩散的距离。其中稍脉处的扩散距离为向侧脉方向扩散的距离。如图5(c)所示，综合来看，橡胶树叶的扩散距离最长。

在采用实施例1制备的橡胶，玉兰，菩提AL样品表面稍脉处滴上10 μL水滴，观察接触角变化的过程和速度。如图5(e)和(d)所示，橡胶AL样品表面水滴塌陷的速度最快，接触角变化的速度最快。

因此，上述测试表明：采用实施例1制备得到的样品具有良好的定向运输特性，其中橡胶AL样品效果最好。

【水收集测试】将pristine、ALWW、SHBAL、和采用实施例1制备的橡胶AL裁剪成菱形竖直放置，尽量避免了裁剪对影响叶脉纹路的影响，同时方便计算样品面积。除测量样品收集的总水量以外，还在样品中心下方放置了一个容器，从而通过中心处收集的水量来表征不同样品的定向运输能力。该装置中，加湿器的出雾量为1800 mL/h，出雾速度为0.9 m/s。该测试结果表明，采用实施例1制备得到的样品兼有良好的水收集效率和定向运输效果（如图6所示）。

【水滴泵送测试】将采用实施例1制备的橡胶、玉兰、菩提AL样品倒放并倾斜60°，在其表面侧脉的不同位置滴上水滴，观察发现，原位置的水滴消失，出现在主脉底部，并滴落（如图7a所示）。这种现象表明，将人造叶片倒置依然有定向运输的能力。

将采用实施例1制备的橡胶、玉兰、菩提AL样品倒放并倾斜60°，在其表面的侧脉滴上染色的水滴，发现水滴沿侧脉向上移动，到达侧脉与主脉的交界处后沿主脉向下流动（如图7b所示）。结果表明，AL样品在倒放时可以将水滴向上泵送并最终运输至主脉底部，路径体现了样品的多向运输能力。

将采用实施例1制备的橡胶、玉兰、菩提AL样品倒放并倾斜60°，在距主脉2.8 cm的侧脉处用微量进样器滴上5 μL的水滴，测量水滴消失的时间， 来反映水滴被泵送的速度。图7(d)显示，橡胶AL样品泵送水滴的速度最快。

因此，上述测试表明：采用实施例1制备得到的AL样品具有良好的泵送水滴特性，其中橡胶AL样品效果最好。

【染色和加工性能测试】向实施例1中水浴加热的水加入不同颜色的染料，并进行裁剪。成功制备了不同形状不同颜色的样品（如图c

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的制备流程。

图2为不同的树叶叶脉和本发明实施例1的制备样品。(a)-(d)橡胶树叶；(e)-(g)菩提树叶；(i)-(l)玉兰树叶

图3为在空气中水滴在原始PCL样品(a)、超亲水样品(b)、超疏水样品的接触角(c)与滚动角(d)。

图4为原始PCL的差示扫描量热法(DSC)热谱图(a-b)、热重分析(TG)谱图(c)和拉伸曲线(d)，可以从中看出PCL的熔点，分解温度和力学性能。

图5为在不同人造叶片上液滴扩散的轨迹(a-b)；不同人造叶片上不同位置水滴扩散的距离(c)；不同人造叶片上稍脉上水滴塌陷的过程及速度(d-e)。

图6为水收集装置图(a)；不同样品的水收集效率(b)；不同样品不同位置的水收集效率(c)；雾水的捕获和排除过程(d-f)。

图7为本发明实施例1 制备的不同样品的泵送效果(a)、过程(b)和水滴消失时间(d)；经过着色和裁剪后的白色树叶(c

具体实施方式

实施例1 一种可转换液滴移动方式的人造树叶的制备方法，如图1所示：

先将超亲水溶液在压力为0.2 MPa的条件下按0.01 g/cm

然后将修饰后的叶脉平铺到经80℃水浴加热后的聚己内酯(PCL)片表面，并置于两个玻璃板之间进行热压，热压的载荷为10kg。直至整体装置冷却至室温，即得叶脉被挤压进聚己内酯表面的样品。

最后，将超疏水溶液在压力为0.2 MPa的条件下按0.01 g/cm

实施例2 一种可转换液滴移动方式的人造树叶的制备方法，如图1所示：

先将超亲水溶液在压力为0.2 MPa的条件下按0.04 g/cm

然后将修饰后的叶脉平铺到经80℃水浴加热后的聚己内酯(PCL)片表面，并置于两个玻璃板之间进行热压，热压的载荷为8kg。直至整体装置冷却至室温，即得叶脉被挤压进聚己内酯表面的样品。

最后，将超疏水溶液在压力为0.2 MPa的条件下按0.03 g/cm

实施例3 一种可转换液滴移动方式的人造树叶的制备方法，如图1所示：

先将超亲水溶液在压力为0.2 MPa的条件下按0.1 g/cm

然后将修饰后的叶脉平铺到经80℃水浴加热后的聚己内酯(PCL)片表面，并置于两个玻璃板之间进行热压，热压的载荷为12kg。直至整体装置冷却至室温，即得叶脉被挤压进聚己内酯表面的样品。

最后，将超疏水溶液在压力为0.2 MPa的条件下按0.1 g/cm

上述实施例1~3中：叶脉是指橡胶树叶、玉兰树叶和菩提树叶中的一种。

超亲水溶液是指将1g纳米二氧化硅与20mL无水乙醇分散均匀制得。

超疏水溶液是指将0.5 g纳米二氧化钛加入到10mL无水乙醇中，搅拌均匀后向其中加入30 μL全氟辛基三氯硅烷，搅拌20分钟，即得。此时，全氟辛基三氯硅烷与二氧化钛发生自组装作用，氟元素修饰到了纳米粒子上，降低了表面能。