阅读说明：本技术 水下虹吸管材料及其制备方法和应用 (Underwater siphon material and preparation method and application thereof ) 是由 张小龙 董洋 徐翔 何钊 龚瀚源 梅鑫 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种水下虹吸管材料及其制备方法和应用,所述材料在水下对气泡的接触角为0°,所述材料为将毛线浸入低表面能的修饰试剂FAS-SiO<Sub>2</Sub>/PDMS中,对毛线进行疏水改性处理,然后烘干得到能稳定运输水下气泡的超疏水毛线。其制备流程简单易操作,试剂廉价易得且环境友好,随后利用超疏水毛线在水下超疏水超亲气特性,组装水下虹吸管装置实现了对水下气体的运输,实验证明这种运输方式可以长时间保持稳定,并且当某一部分损坏或者断裂时,只需要将毛线两端打结就可以恢复运输,优势明显。这在水下气泡的定向运输,水下气体分离与收集等新技术领域的开发与应用有着广泛的应用前景。(The invention relates to an underwater siphon material and a preparation method and application thereof, wherein the contact angle of the material to bubbles underwater is 0 degree, and the material is a modifying reagent FAS-SiO for immersing wool into low surface energy 2 In PDMS, the wool is subjected to hydrophobic modification treatment and then dried to obtain the super-hydrophobic wool capable of stably transporting underwater bubbles. The preparation process is simple and easy to operate, the reagents are cheap and easy to obtain and environment-friendly, then the super-hydrophobic and super-hydrophilic characteristics of the super-hydrophobic wool are utilized under water, the underwater siphon device is assembled to realize the transportation of the gas under water, experiments prove that the transportation mode can be kept stable for a long time, and when a certain part is damaged or broken, the two ends of the wool can be recovered by knottingThe advantages of the compound fertilizer are obvious after the compound fertilizer is transported. The method has wide application prospect in the development and application of new technical fields of directional transportation of underwater bubbles, separation and collection of underwater gas and the like.)

水下虹吸管材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于超疏水材料技术领域，特别涉及一种水下虹吸管材料及其制备方法和应用。

背景技术

一般来说材料界面超疏水的实现取决于两点：一是粗糙结构的构建，二是低表面能物质的修饰。截止目前，制备超疏水表面的方法有很多，如刻蚀法，电纺丝法，气相沉淀法等等，但是大多数制备方法都存在制备工艺复杂，流程繁琐，价格昂贵且环境不友好等缺点。

另外由于超疏水材料具有非浸润性的优良性质，使之在诸多领域如油水分离，自清洁性，金属防护等具有广泛的应用前景。但是这些应用大多都是基于超疏水材料在空气中具有非浸润性的特性，而对超疏水材料在水下的亲气原理的研究却极少。如果能够利用超疏水材料在水下的超亲气性，采用虹吸管的原理可以实现对气泡的吸收，运输以及收集，进而分析超疏水表面水下气泡行为，为在液体环境中控制气泡在固体表面行为，如实现水下气泡定向运输和收集等新技术领域的开发和应用提供指导。

截止目前，实现水下气体运输一般是采用管道，虽说运输效率比较高，但是一般都需要额外的提供较大到的动力，且管道本身无法捕捉到水中的气体，只能实现管口两端的气体运输。加上若某一部分出现损坏或者断裂，一方面修复困难，另一方面成本较高，运输具有明显的缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种水下虹吸管材料及其制备方法和应用。为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种水下虹吸管材料，所述材料为将毛线浸入低表面能的修饰试剂FAS-SiO₂/PDMS中，对毛线进行疏水改性处理，然后烘干得到能吸收和运输水下气泡的超疏水毛线。

一种水下虹吸管材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、改性二氧化硅纳米颗粒的制备：将无水乙醇、氨水、正硅酸四乙酯和FAS依次加入，搅拌，然后静置，随后取下层的浊液，洗涤烘干，得到FAS-SiO₂纳米颗粒；

步骤2、低表面能修饰试剂的制备：用步骤1制备的FAS-SiO₂纳米颗粒，用正己烷将其分散，随后加入PDMS、固化剂，搅拌，待凝胶-溶胶反应充分进行后，停止搅拌，得到改性的低表面能修饰试剂FAS-SiO₂/PDMS；

步骤3、对毛线的疏水改性处理：将毛线浸入步骤2制备的低表面能的修饰试剂中，对毛线进行疏水改性处理，然后烘干得到能稳定运输水下气泡的超疏水毛线。

优选地，所述的步骤1中，所述的试剂质量浓度为：氨水(25％-28％)，正硅酸四乙酯(97％-99％)，无水乙醇(98％-99.7％)，FAS(96％-98％)；氨水、正硅酸四乙酯、无水乙醇的体积比为(65-75)：(12-16):(200-220):(0.001-0.003)。

进一步优选地，所述的步骤1中，所述氨水、正硅酸四乙酯、无水乙醇的体积比为70:14:210:0.002。

优选地，所述的步骤1中，低表面能的修饰试剂FAS为1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷或十六烷基三甲氧基硅烷或其组合。

优选地，所述步骤S1中，搅拌条件为：温度18-25℃，速率450-550r/min，时间2-4h；静置时间为8-10h。

优选地，所述步骤S1中，洗涤采用无水乙醇进行洗涤2-3次；烘干条件为：温度为70-85℃，干燥时间为6-10h。

优选地，所述步骤S2中，FAS-SiO₂纳米颗粒与为正己烷溶液的固液比为(2-3)：(55-65)(g/mL)，正己烷浓度为97％-98％。使FAS-SiO₂纳米颗粒充分的分散开来，为后续反应进行充分的进行奠定基础。

优选地，所述步骤S2中，所述的PDMS为聚二甲基硅氧烷，其与固化剂(道康宁184)配合使用，PDMS与固化剂的重量比为(8-10)：1，PDMS与FAS-SiO₂纳米颗粒的重量比为(1.2):2。

优选地，所述步骤S3中，所述疏水改性处理时间为6-8min；干燥条件为：温度70-85℃，干燥时间20-30min。

所述的材料或所述的制备方法制备的材料用于进行水下气体的的吸收和运输。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的超疏水毛线材料是基于毛线固有的微米结构，然后用制备的低表面能的修饰试剂FAS-SiO₂/PDMS对其进行改性处理，洗涤干燥后制得的材料。所述的超疏水毛线材料，在水下对气泡的接触角接近0°。可以实现对水中气泡的吸收，运输以及收集，进而分析超疏水表面水下气泡行为，为在液体环境中控制气泡在固体表面行为，如实现水下气泡定向运输和收集等新技术领域的开发和应用提供指导。所制备的材料，在水下具有良好的亲气性，一旦气体与之接触，便会被吸收，可为实现对水中气体的吸收和运输提供良好的基础。

2、该方法的实现是基于所制备的超疏水毛线材料，利用超疏水毛线材料在水下的超疏水性和超亲气性，用类似液体虹吸管的方法，可以将超疏水毛线材料作为“管道”，实现对水下气体的运输。该超疏水毛线的制备方法大致可分为三步：首先，制备出纯净且干燥的FAS-SiO₂纳米颗粒。其次，改性二氧化硅纳米颗粒，与PDMS和正己烷混合，得到FAS-SiO₂/PDMS修饰试剂。最后，将准备好的毛线放入制备好的修饰试剂当中改性，经过多次洗涤后干燥即可得到所需的超疏水毛线。其制备流程简单易操作，试剂廉价易得且环境友好，随后利用超疏水毛线在水下超疏水超亲气特性，实现了对水下气体的运输。

3、毛线是一种廉价且常见的材料，并且还具有良好的延展性和可修复性，其表面天然具有微米结构，通过对其改性修饰可以制得超疏水毛线。其在水下具有良好的亲气性，可以稳定的运输气泡，并且其表面能够快速捕捉水中的气泡，可实现水中气泡的收集与运输。若某处发生损坏或者断裂，只需将两端打结即可恢复稳定运输，与传统方式相比优势明显。如有望实现对海洋中的甲烷气体的收集和运输，既能缓解环境污染，还能缓解能源危机。

4、所述步骤S1中，搅拌条件为：温度18-25℃，速率450-550r/min，时间2-4h；静置时间为8-10h。反应条件相对温和，足够长的搅拌时长既有利于使所得到的改性二氧化硅纳米颗粒更细化均匀，同时又有利于反应充分进行。洗涤采用无水乙醇进行洗涤2-3次；烘干条件为：温度为70-85℃，干燥时间为6-10h。经过多次洗涤之后可以有效除去其表面的杂质，干燥温度不宜过高或者过低，过高则会破会其表面结构，过低又达不到完全干燥的效果，为了使其完全干燥除了适宜的温度之外，还需保证必要的干燥时长。

5、正己烷使FAS-SiO₂纳米颗粒充分的分散开来，为后续反应进行充分的进行奠定基础。将PDMS配合一定的固化剂混合使用，可以使纳米颗粒更好的，更稳定的附着在毛线材料表面，进而提高所制备的超疏水材料的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例中水下虹吸管原材料--超疏水毛线制备过程总的流程图；

图2是本发明实施例中制备的超疏水毛线材料与普通毛线在空气中的疏水性以及在水下的亲气性比较；

图3是本发明实施例中制备的超疏水毛线材料运输水下气体演示实验部分照片；

图4是本发明实施例中制备的超疏水毛线材料断裂后打结又恢复运输演示实验部分照片；

图5是本发明实施例中制备的超疏水毛线材料模仿植物的根系结构运输水下气体的应用；

图6是本发明实施例中制备的水下虹吸管利用“虹吸”现象自运输水下气体的应用。

图7是本发明实施例中制备的水下虹吸管运输水下气体时的模型图和运输过程实物图。

图8是本发明实施例中制备的水下虹吸管运输水下气体速率与毛线两端高度差(压差)的关系曲线。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的技术方案做进一步的说明：

在以下的实施实例中，超疏水毛线的制备过程总的流程图见附图1。一种水下气体运输的新方法所涉及的一种超疏水毛线材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)改性二氧化硅(FAS-SiO₂)纳米颗粒的制备。将浓度为25％-28％的氨水，98％的正硅酸四乙酯，99.7％的无水乙醇按照体积比为70mL:14mL:210mL的比例依次加入500mL的洁净烧杯中，然后滴加2.0μL FAS(1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷)，为减少试剂挥发，用薄膜将烧杯上端密封，随后将其放在85-2A双数显恒温磁力搅拌器上，控制反应温度为20℃，搅拌速率为500r/min，搅拌持续时间为2h。静置8h后，取下层浊液，用无水乙醇洗涤2-3次出去杂质，最后用专用烘箱在80℃温度下，持续干燥6-10h，得到改性的二氧化硅纳米颗粒。

(2)低表面能修饰试剂(FAS-SiO₂/PDMS)的制备。用高精度天平称取之前制备的改性二氧化硅纳米颗粒2.0g，并放入100mL烧杯中，然后加入60mL浓度为98％的正己烷将其分散开来。随后将PDMS与其配套使用的固化剂按10:1的比例，其中PDMS 1.2g，固化剂(道康宁DC184，购于阿里巴巴)0.12g依次加入到烧杯中，用薄膜将烧杯上端封口，利用双数显磁力搅拌器控制室温为20℃，搅拌速率为500r/min，持续搅拌20min，得到所需的低表面能的修饰试剂。

(3)对毛线进行疏水改性处理。将毛线用去离子水和无水乙醇多次反复清洗干燥之后，将其浸泡在所制备的低表面能的修饰试剂当中6-8min，随后将其取出放在温度为80℃的烘箱里面干燥20min，得到超疏水毛线材料。制备的超疏水毛线材料与普通毛线在空气中的疏水性以及在水下的亲气性比较见图2，可以发现当5μL的去离子水分别滴落在所制备的超疏水毛线和普通毛线上时，现象大不相同(图2a-c)。在超疏水表面，水滴呈球形，且长时间保持稳定而在普通毛线表面，水滴被快速的吸收，说明制备的超疏水毛线在空气中具有良好的疏水性。当将两者同时放入水中时，发现普通毛线很快被润湿沉底，而所制备的超疏水毛线材料由于疏水性浮在是水面上(图2d-f)，当分别向其表面滴加气泡时，通过仪器测定发现气泡在普通毛线表面接触角较大，且长时间保持稳定，而在超疏水毛线材料表面则在极短的时间(0.8s)内被吸收。说明了所制备的超水毛线材料在水下具有良好的亲气性，为实现水下气体运输提供了基础。图3表明当在超疏水毛线较低处注入气体时，无需额外动力，气体都会从最高点析出，证明了其在水下运输气体的可行性。图4表明，当这种运输水下气体的“管道”损坏或者断裂时，不需要大规模修复或者替换，而只需要将其两端打结就可以恢复运输的稳定。图5表明，该材料可以模仿植物根系结构模多方向实现对水下气体的收集和定向运输。图6表明，该材料在水中有着类似“水下虹吸管”的特性，只要两端有压力差便可以自运输水下气体。在水下且在其他条件相同时，即使两端有压差普通毛线也是不能运输水下气体的(图7-a)，(图7-b)表明，当虹吸管两端没有压差时，也是不能够运输水下气体的，而当所制备的虹吸管两端一直存在压差时，就会一直运输气体，知道气体被运输完毕(图7-c)。图8表明，当水下虹吸管两端的高度差(压差)不同时，其运输气体的速率也是不同的，其压差越大，运输气体速率也就越快，反之，其压差越小，运输气体速率也就越慢。

这种水下的虹吸管有着广泛的应用前景，比如：阀门两侧附近由于涡旋总是残留有气泡，不易排出，利用此材料便可解决气泡的排除问题。