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仿松针黄铜锥体表面自驱定向雾收集性能∗

  • 弯艳玲

    机 构：

    长春理工大学跨尺度微纳制造教育部重点试验室 长春 130022

    ×
  • ， 张彩云

    机 构：

    长春理工大学跨尺度微纳制造教育部重点试验室 长春 130022

    ×
  • ， 崔普

    机 构：

    长春理工大学跨尺度微纳制造教育部重点试验室 长春 130022

    ×
  • ， 于化东

    机 构：

    长春理工大学跨尺度微纳制造教育部重点试验室 长春 130022

    ×

长春理工大学跨尺度微纳制造教育部重点试验室 长春 130022；

Self-driven Directional Fog Collection Performance of the Surface of Brass Cones Imitating Pine Needles

  • WAN Yanling

    Affiliation：

    Key Laboratory of Cross-scale Micro and Nano Manufacturing, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000 , China

    ×
  • ， ZHANG Caiyun

    Affiliation：

    Key Laboratory of Cross-scale Micro and Nano Manufacturing, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000 , China

    ×
  • ， CUI Pu

    Affiliation：

    Key Laboratory of Cross-scale Micro and Nano Manufacturing, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000 , China

    ×
  • ， YU Huadong

    Affiliation：

    Key Laboratory of Cross-scale Micro and Nano Manufacturing, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000 , China

    ×

Key Laboratory of Cross-scale Micro and Nano Manufacturing, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000 , China；

作者简介:

弯艳玲,女,1979年生,博士,副教授。主要研究方向为功能表面的仿生制备、微纳技术和试验优化。E-mail:wanyl@cust.edu.cn

中图分类号:TB146

文献标识码:A

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20210518001

参考文献 1
WIEDANN T O,HOEKSTRA A Y.Humanity 's unsustainable environmental footprint [J].Science,2014,344(6188):1114-1117.
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参考文献 2
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参考文献 3
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参考文献 4
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参考文献 6
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参考文献 8
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参考文献 10
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参考文献 12
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参考文献 13
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参考文献 14
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参考文献 15
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参考文献 16
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参考文献 17
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目录contents

    摘要

    从自然界获取灵感,模仿生物体表结构制备人工集水装置对缓解水资源短缺具有重要意义,具有广阔的应用前景。 松针表面上具有自主从雾中收集液滴的特性,受此启发通过模仿松针表面的微/ 纳米结构,制备一种可以实现雾气定向收集且制备方法简单的功能表面。 在经过微精细加工的黄铜锥体的表面上,利用纳秒激光器加工出放射状微米级沟槽和纳米级熔融结构,在锥体表面上实现微-纳米结构的复合。 通过改变激光加工的功率,实现对雾气捕获效率的调控。 结果表明,加工出的仿松针黄铜锥体表面上拉普拉斯压力呈主导作用,使得在圆锥尖端的液滴可以发生定向迁移。 这种仿松针黄铜锥体结构可以在不使用任何表面化学修饰情况下,实现简易制备、无须借助外力的液滴定向收集,在雾水收集等方向具有良好的应用前景。

    Abstract

    Taking inspiration from the natural and preparing artificial water collection devices by imitating the surface structure of organisms is of great significance to alleviate water shortages and has broad application prospects. Pine needles have the characteristics of autonomously collecting droplets from the fog. Inspired by this, by imitating the micro / nano structure of the surface of pine needles, a functional surface with simple preparation method and realizing directional collection of mist is prepared. On the surface of the brass cone with micro-fine processing, a nanosecond laser is used to process radial micro-level grooves and nano-level melting structures, and the micro-nano structure composite is realized on the surface of the cone. And by changing the power of laser processing, the efficiency of fog capture can be controlled. The results show that the Laplace pressure on the surface of the processed pine needle brass cone is dominant, which promotes the directional migration of the droplets at the tip of the cone. Without any surface chemical modification, the brass cone imitating pine needle realizes the directional collection function of droplets with simple manufacture and no external force, which has a good application prospect in the direction of fog water collection.

    关键词

    激光制造 ； 雾收集 ； 自驱移动 ； 仿生

  • 0 前言

  • 生活在21世纪的人类将面临着前所未有的水短缺危机。人类可以直接利用的淡水资源所占比例还不到0.36%,并且这其中还包括冰冻的山河、冰川和地下水[1-2]。增加水资源获取渠道并合理分配利用是当务之急。通常在清晨的近地面上会由蒸发、蒸腾等作用而产生一种气溶胶———雾,雾中平均每平方厘米包含10~1 000个直径在10~50 μm的液滴,水雾收集也是一种缓解淡水资源短缺的潜在方法[3]。那么不同于需要通过设备冷却表面的雾收集装置,基于自然界生物启发的方法无需任何外部能量输入从空气中的雾中收集水,就显示出解决这一水危机的前景[4-5]。现今如何能够高效廉价地制备雾收集器件是当前众多研究者关心的问题。

  • 通常来说,雾的收集过程包括微小液滴的沉积、液滴的合并、液滴的输送、液滴的脱落。因此若要提高集水效率,则需要提高液滴的沉积速度及液滴的自输送速度。特殊的形状,例如锥形结构是影响液滴收集效率的重要因素[6-8],而其表面的微结构(沟槽、凹坑等) 是影响锥体定向水收集的另一个重要因素[9]。

  • 对松针进行研究发现,松针因其特殊的半圆锥外形及其表面的微-纳复合形貌,具有一定的雾收集能力[10]。本文以松针的雾收集原理为出发点,通过微精细车床和纳秒激光制备出一个具有微沟槽结构的黄铜锥体。研究发现,激光功率影响了加工表面的润湿性以及雾气中液滴的沉积率。另外,具有微-纳米复合结构的微沟槽的锥体表面在没有施加任何外力的情况下,能够高速传输液滴。液滴在锥体表面上的拉普拉斯压力差是其主要的原因。

  • 1 试验

  • 1.1 仿生原型及其制备

  • 松针的半圆锥结构面上形成了拉普拉斯压力差,而且表面上分布的沟壑及凹坑结构形成了表面张力的梯度分布。这两种作用力导致液滴在其表面的定向移动。受松针启发,设计在圆锥体表面加工出微沟槽结构,以期望形成微-纳米复合梯度结构从而实现雾收集功能。

  • 本文使用基底为H62的黄铜棒料。首先采用微切削技术,将直径为6mm的黄铜棒料切削成长度3cm锥度为6°的圆锥。车削参数如下:主轴转速 n=2 000r/min,进给速度 Vf=500mm/min,切削深度 ap=30 μm。切削后依次采用#200、#800、#1200和#2000砂纸进行抛光,制备出光滑的圆锥表面,随后使用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗去除杂质。

  • 选用纳秒激光加工微沟槽结构 ( 博特科技, YLP-ST20)。通过冲子成型器控制圆锥旋转,旋转角度为120°,锥体轴线始终水平,加工长度为3cm, 激光聚焦面为过轴线的水平面。通过试验优化分析,选用激光扫描间距为100 μm,扫描速度为500mm/s为定量参数,并对集雾效率影响最大的激光加工功率进行单独讨论,选取8W、12W、16W和20W进行对照试验。

  • 1.2 测量与表征

  • 通过超景深显微镜(ZOOM5,Carl Zeiss AG,德国)和扫描电子显微镜(Zeiss,EVO MA25,德国)对试件表面的微结构进行观测。稳定的雾流(流速为30~50mm/s的超声波加湿器,环境温度为22 ± 3℃,相对湿度为55%~65%)被用来测试表面的雾收集能力。使用CCD相机(25mm,1 ∶1.4,康标达) 记录整个雾收集的过程。采用光学接触角测量仪测量接触角。

  • 2 结果与讨论

  • 2.1 表面形貌及润湿性

  • 具有各向异性微尺度沟槽的表面可用于控制表面沉积的临界液滴尺寸, 并影响整体的润湿性[11-14]。如果表面上存在梯度,则表面张力可以使液滴沿梯度方向移动。这样可以用来帮助液滴实现定向移动。那么尝试将各向异性润湿性和表面张力梯度相结合的方法,探索是否能够促进液滴在表面上沉积和定向移动的速率。通过在锥体上利用激光纹理化来制造具有粗糙度梯度和润湿性梯度的表面。

  • 如图1a1~1d1 所示,黄铜板表面不同激光功率加工的纹理电镜图。可以发现,激光刻蚀后的沟槽结构排列较规整。在激光刻蚀过程中,材料熔融汽化,在表面形成溅射的次级微结构和冲蚀坑,增大了其表面的粗糙度。随着激光加工功率的增大,沟槽的宽度和高度也会随之逐渐增加。因此,可以通过调整激光加工功率来实现调控固体-液体间的界面张力 γSL, 从而获得具有各向异性的润湿性表面。

  • 以激光功率12W为加工参数的仿生结构表面电镜图如图1e所示。选取距尖端相同位置观测,发现激光烧蚀表面所形成的烧蚀坑相互叠加,从而形成了类沟槽结构。在沟槽肋部,有砂纸抛光表面所形成的划痕。在沟槽脊部上,有少量激光烧蚀形成的熔融物堆积,在圆锥表面形成了次级微结构。对沟槽结构尺寸进行测量发现,由于激光聚焦面为固定的过轴线的水平面,随着激光从尖端开始向根端扫描的刻蚀过程,激光能量逐渐衰减,促使沟槽深度沿圆锥轴向从尖端向根部逐渐降低,如图2所示,从而得到表面粗糙度连续变化的表面。同时,锥体直径在轴向越来越大,导致其表面沟槽逐渐分布稀疏, 表面粗糙度逐渐降低,这使得固-液接触面积比分数随之增大,表面的润湿性增强。通过对仿生结构润湿性的测试发现,随着距尖端距离的增加,锥体表面接触角逐渐降低。锥尖到根部的接触角变化范围在0~42.34°,锥体整体表面润湿性呈梯度变化。这样,实现了将锥体形状梯度和微沟槽各向异性润湿性相结合的目标。

  • 图1 激光加工后表面电镜图及实拍图 (a1)~(d1) 8W、12W、16W、20W加工功率的黄铜板表面电镜图 (a2)~(d2)不同激光功率下黄铜表面雾收集图像 (e1)仿松针黄铜锥体表面实物图 (e2)锥体表面局部电镜图

  • Fig.1 Electron microscope and actual picture of the surface after laser power machining: (a1)-(d1) Electron micrograph of brass plate surface with 8W, 12W, 16W, 20W processing power; (a2)-(d2)Surface fog collection image of brass surface under different laser power; (e1)Physical drawing of imitation pine needle brass cone surface; (e2) Local electron microscope of cone surface

  • 图2 仿松针黄铜锥体表面距锥尖不同距离位置的沟槽深度和接触角

  • Fig.2 Groove depth and contact angle of the imitation pine needle brass cone surface at different distances from the cone tip

  • 2.2 雾收集效率测试

  • 为了直观观察,分别对图1a2-1d2 所示的四组黄铜板表面进行雾收集性能测试。可以发现,不同于光滑表面液滴的无序生长,沟槽表面凝聚的液滴具有各向异性,会先沿沟槽进行扩散,然后因为液滴两侧没有形成粗糙度梯度,液滴向两侧对称扩散。这种具有各向异性的液滴生长,有助于水滴的定向聚集和迁移,而且在扩散过程中,液滴会不断吞噬其扩散路径上的微小液滴,逐渐长大。当液滴生长到一定程度时就会跨越槽与槽之间的槽脊屏障,与相邻槽间的液滴融合。微沟槽结构可以在平行或垂直于微槽的方向上产生各向异性接触角[15],从而增强了液滴沿着沟槽的定向运动。这些结合有助于驱动液滴的自发收集效率。

  • 通过定量测量发现,随着激光功率的增加,仿生结构表面雾收集效率先增大后减小,测量结果如图3。当功率为12W时(此时表面接触角为113.8°), 收集效率最高,达到0.882g/( cm 2·h)。通过调控加工功率,表面的润湿性发生变化。当表面接触角较低时,凝结的水滴与材料表面的黏附力很大,液滴难以从其表面掉落,导致集水性能不佳。相反当表面疏水性过高时,难以捕获雾流中的微小液滴,降低雾收集效率。故此,选用12W的激光功率在抛光后的锥体表面进行加工,沟槽分布自尖端向根部呈放射状延伸分布。

  • 图3 不同激光功率加工的仿松针黄铜锥体雾收集效率。

  • Fig.3 Fog collection efficiency of the imitation pine needle brass cone processed by different laser power

  • 液滴在黄铜锥体上典型的自发运动如图4所示。液滴在加工前后的黄铜锥体表面上都能够被捕获,且朝着横截面增大的方向移动。正是锥体构成了形状梯度,促使表面液滴产生了拉普拉斯压力差。液滴在锥体表面分别受表面黏附力、拉普拉斯压力和重力的影响[16-17]。液滴在圆锥表面的黏附力为:

  • FN=γLVkπd/2
    (1)

  • 式中, k 为数值因子,πd/2为液滴与锥体之间的接触线长度。而锥体上液滴承受的拉普拉斯压力差为:

  • ΔP=γLVr+R0
    (2)

  • 式中, γLV 为液滴的表面张力,r 为锥体直径,R0 为液滴半径。因为液滴沿锥体轴向由尖端向根部移动, 且轴向梯度变化对拉普拉斯压力有很大影响,故通过对拉普拉斯压力在其轴向求导(设水滴半径 R0 的变化与dR0 无关,即dR0dz=0), 可得出液滴所受到的拉普拉斯压力差为:

  • FL=-∫R1R2 2γLVr+R02⋅sin⁡βdz
    (3)

  • 式中, R1,R2 为液滴两侧的圆锥半径。 β 为圆锥锥度的一半。高曲率位置上的拉普拉斯压力大于低曲率位置,即锥体尖端附近的拉普拉斯压力大于根部, 所以在尖端捕获的液滴在拉普拉斯压力梯度的作用下自发向根部移动。

  • 图4 激光加工前后黄铜锥体的集水性测试(呈水平和45°放置) (a)(c)表面光滑的黄铜锥体实拍图 (b)(d)经激光加工后的黄铜锥体实拍图(12W)

  • Fig.4 Water collection test of brass cone before and after laser processing is placed horizontally and 45° respectively: (a)(c) Physical drawing of brass cone with smooth surface, (b)(d) Physical drawing of brass cone after laser processing (12W)

  • 为进一步表明这种形状梯度所产生的拉普拉斯压力差对液滴收集过程的影响,测量了液滴在不同锥度表面上的移动速率,如图5所示。当锥形结构水平放置时,液滴在锥形表面上的移动速度随着锥度增大呈现先升高后降低趋势。

  • 图5 液滴在不同锥度表面上的移动速率

  • Fig.5 Movement rate of droplets on different tapered surfaces

  • 当圆锥结构锥度较小时(1°、2°),液滴两侧的拉普拉斯压力差较小,导致液滴移动较为缓慢。而随着锥度增加,曲率差增大,液滴两侧的拉普拉斯压力差随之增大,显著提高了液滴定向移动速率。但是,当锥度继续增加时,尖端与根端的高度差也随之增加,液滴运动所需要克服的重力也会增加,使得液滴在其表面会成为“爬坡”运动,从而牵制了液滴的移动。

  • 除此之外,表面张力梯度也是驱动水滴由尖端向根部移动的一个重要因素。仿生结构表面上的接触角随距尖端距离的增加而降低(根部具有更强的润湿性),由此形成了表面润湿梯度,使得在尖端收集到的液滴可以由向高润湿性方向移动。

  • 表面存在润湿性梯度示意图如图6,液滴在表面上 A、B 点所受的压力差为:

  • dF=γSV-γSLA-γSV-γSLBdx
    (4)

  • 式中, γSV 和 γSL 分别为气-体界面、液-固界面的表面张力(N/m),那么根据式(4)以及杨(Young)氏方程,可以得到液滴在仿生结构表面所受表面张力为:

  • F=∫ltlb γcos⁡θA-cos⁡θBdx
    (5)

  • 式中, γ 为液滴表面张力,θA 和 θB 分别为液滴的前进角和后退角,dx为从尖端到根部 l b长度的积分变量。由此可以判断液滴可以在表面张力的作用下, 向高润湿性方向移动。

  • 图6 液滴向表面润湿性强的方向移动示意图

  • Fig.6 Schematic diagram of droplet moving in the direction of strong surface wettability

  • 刻蚀后的黄铜锥体(图4b、4d)在雾收集测试中有优异的表现,锥体水平放置时,液滴在其表面的定向平均移动速率可以达到0.054cm/s(图4b),而光滑黄铜锥体表面的移动速度约为0.04cm/s (图4a)。表面经过激光刻蚀之后,微沟槽的各向异性润湿性是液滴定向运动的另一个驱动因素。

  • 锥体放置角度(0°和45°)不影响捕获液滴的运动方向,无论锥体处于什么角度,尖端捕获的液滴都自发地向根端移动。在移动过程中,液滴会吞噬移动路径上的其他液滴,逐渐长大。但不同于水平放置的试件,45°放置的锥体表面上液滴会移动一段距离后滴落(图4c, 4d)。当锥体呈45°放置时,表面上液滴所受的黏附力与拉普拉斯压力与水平放置时一致,而所受的重力 G 影响为轴向上的分力,即 G· sin α。由式(1)、(3) 以及受力平衡条件,可以推算出其拉普拉斯压差可驱动的液滴体积最大为:

  • Vmax=-γLVkπd2⋅∫R1R2 2γLVr+R02⋅sin⁡βdzρg⋅sin⁡α
    (6)

  • 液滴在倾斜的锥体上所受到的重力逐渐占据主导作用。当作为驱动力的拉普拉斯压力无法克服重力所带来的影响时,液滴就会停止向根端移动。逐渐在重力的作用下,液滴向尖端移动直至最后滴落。

  • 在拉普拉斯压力及表面自由能梯度共同作用下,液滴会沿沟槽方向由尖端向根部移动。值得注意的是,整个水滴移动的过程是离散的,而不是一个连续的过程。沟槽中的凹坑对液滴存在钉扎效应, 在液滴接触钉扎线之后,集聚微小液滴,集聚的势能足够跨过钉扎线时就会向前跃进。同时吞并扩散路线上的微小液滴,再继续积累势能向根部移动。

  • 3 结论

  • (1) 受松针半锥形结构的启发,通过微切削制备锥度6°、长度3cm的黄铜锥体,并通过纳秒激光在其表面加工出微沟槽,成功制备出自驱动雾收集的黄铜锥体。液滴自驱移动平均速度达到0.054cm/s。

  • (2) 仿松针黄铜锥体表面上的液滴在形状梯度产生的拉普拉斯压力差、各向异性润湿性形成的表面张力梯度二者结合下,实现捕获的液滴在锥面上无外力借助下的雾收集功能。而且通过改变锥体锥度、纳秒激光的加工功率调节锥体表面的润湿性,可实现对雾滴收集的速度的控制。

  • (3) 利用纳秒激光器,设备低廉,加工简便,将有助于进一步推动对梯度润湿表面雾收集表面大批量低成本的研究。

  • 参考文献

    • [1] WIEDANN T O,HOEKSTRA A Y.Humanity 's unsustainable environmental footprint [J].Science,2014,344(6188):1114-1117.

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  • 基本信息

    中图分类号: TB146
    文献标识码: A
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20210518001

    基金信息

    国家自然科学基金联合基金(U19A10103)；
    吉林省科技发展计划 (20190101005JH,20180101324JC) 资助项目；
    Supported by Joint Funds of National Natural Science Foundation of China ( U19A10103 ) and Jilin Province Science ；
    Technology Development Program Funded Projects of China (20190101005JH, 20180101324JC).；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2021-05-18

  • 参考文献

    • [1] WIEDANN T O,HOEKSTRA A Y.Humanity 's unsustainable environmental footprint [J].Science,2014,344(6188):1114-1117.

    • [2] KORKMAZ S,KARIPER A.Fog harvesting against water shortage[J].Environmental Chemistry Letters,2020,18(2):361-375.

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