CN113818521A - 用于水收集的3d打印仿生亲水pva水凝胶甲虫背装置及其打印方法 - Google Patents

用于水收集的3d打印仿生亲水pva水凝胶甲虫背装置及其打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及仿生的技术领域，尤其涉及一种用于水收集的3D打印仿生亲水PVA水凝胶甲虫背装置及其打印方法。先通过光固化三维成型技术制备含有凸起表面甲虫背模板，再通过复制甲虫背模板表面形态制备亲水PVA水凝胶的仿生甲虫背。甲虫背独特的拱形凸起结构在雾水收集和运输过程中起到了集成曲率的作用，并且三角结构的表面梯度诱发的拉普拉斯压力赋予了甲虫背表面有效的水收集和传输***。3D打印技术的引入能够快速制造和大规模生产化，对缓解沙漠地区的缺水问题产生重要的作用。

Description

用于水收集的3D打印仿生亲水PVA水凝胶甲虫背装置及其打 印方法
技术领域
本发明涉及一种水收集的装置，尤其涉及一种用于水收集的3D打印仿生亲水PVA水凝胶甲虫背装置及其打印方法。
背景技术
目前我国西部淡水资源紧缺，降雨量少，小液滴形式的雾气成为比较好的淡水资源，所以需要一种收集雾气的装置和方法。
沙漠中的的甲虫经常直背站立，迎着气流，背部会很快凝结水珠，通过学者研究发现，甲虫背上有很多细小的锥形凸起，这些细小结构有利于雾气中小水滴的汇集，甲虫直立的身体，使得汇集的水珠受重力的影响可以快速的运输汇聚。但是甲虫背上的凸起大小各不相同，分布复杂，无法达到最佳的收集雾气的效果；甲虫背部并不是亲水的，并且没有水的运输通道，这也限制了小水滴的汇聚与传输，大大影响集水的效率。
发明内容
本发明旨在解决上述缺陷，提供一种用于水收集的3D打印仿生亲水PVA水凝胶甲虫背装置及其打印方法。
为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种用于水收集的3D打印仿生亲水PVA水凝胶甲虫背装置包括整体呈半球状的仿生甲虫背，收集装置的底面直径为40mm，所述仿生甲虫背上设有凸起的三角脊梁，所述三角脊梁呈规律排列、每条三角脊梁间隔2mm，三角脊梁设有19条，所述三角脊梁的凸起角角度为60°，三角的变长为1.8mm。
用于水收集的3D打印仿生亲水PVA水凝胶甲虫背装置，方法步骤如下：
第一步、通过光固化三维成型技术制备含有凸起表面甲虫背模板: 通过机型为EnvisionTec P4 LED Mini的3D打印，使用solidworks软件设计含有三角凸起表面形态的甲虫背模板的3D模型，并将其转化成STL格式导入3D打印机进行数据二次处理，设置好LED光源的强度，XY像素分辨率以及曝光时间，最后通过中压汞灯固化成型；
第二步、通过制备复制甲虫背模板表面凸起形态的亲水PVA水凝胶甲虫背：将二甲亚砜、去离子水、PVA颗粒混合搅拌制备PVA水凝胶，倒入第一步中3D打印的含有凸起表面形态的甲虫背模板，放入冰箱冷冻成型，完成亲水PVA水凝胶甲虫背的制备。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述第一步中LED光源采用410nm的LED光源，强度为18mW/cm2，XY像素分辨率为30微米，曝光时间为每层3秒，中压汞灯强度为40mW/cm2。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述第二步中二甲亚砜:去离子水:PVA颗粒的质量比为27:9:4。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述第二步中混合搅拌为磁力搅拌水浴锅搅拌，磁力搅拌水浴的水温为90℃，磁力搅拌速率为400rpm，搅拌时间为4h。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述第二步中冰箱内温度设置为-20℃，冷冻时间为10h。
本发明的有益效果是：采用3D打印技术制备含有三角凸起形态的甲虫背模板，使得甲虫背上的形状更加的规律，可以精确到毫米级，可进行大规模的生产，并且3D打印的优势使得生产的收集装置对于细小形状更加的可控，最大化的提高集水效率；
甲虫背上采用自主设计的三角脊梁凸起，甲虫背独特的拱形结构在雾水收集和运输过程中起到了集成曲率的作用，三角结构的表面梯度诱发的拉普拉斯压力赋予了甲虫背表面有效的水收集和传输***；
采用复制甲虫背模板表面形态制备亲水PVA水凝胶的仿生甲虫背，大大提升甲虫背表面的亲水性能，相较于传统的对甲虫背表面进行亲水改性，本身是亲水材料的耐候性要更强，更加有利于小水滴的收集与传输，并且收集装置的可利用时间会更长。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为三角脊梁凸起的亲水PVA水凝胶甲虫背图；
图2为3D打印含有凸起表面形态甲虫背模板图；
图3为对比实例1中矩形脊梁凸起的亲水PVA水凝胶甲虫背图；
图4为实例1与对比实例1的样品在相同雾流场下雾水收集质量图；
图5为对比实例2中3D打印三角脊梁凸起的树脂甲虫背图；
图6为实例1与对比实例2的样品在相同雾流场下雾水收集质量图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，收集装置包括整体呈半球状的仿生甲虫背，收集装置的底面直径为40mm，所述仿生甲虫背上设有凸起的三角脊梁，所述三角脊梁呈规律排列、每条三角脊梁间隔2mm，三角脊梁设有19条，所述三角脊梁的凸起角角度为60°，三角的变长为1.8mm。
3D打印仿生亲水PVA水凝胶甲虫背装置的3D打印方法步骤如下：
第一步、通过光固化三维成型技术制备含有凸起表面甲虫背模板: 通过机型为EnvisionTec P4 LED Mini的3D打印，使用solidworks软件设计含有三角凸起表面形态的甲虫背模板的3D模型，并将其转化成STL格式导入3D打印机进行数据二次处理，设置好LED光源的强度，XY像素分辨率以及曝光时间，最后通过中压汞灯固化成型，参见图2；
第二步、制备复制甲虫背模板表面凸起形态的亲水PVA水凝胶甲虫背：将二甲亚砜、去离子水、PVA颗粒混合搅拌制备PVA水凝胶，倒入第一步中3D打印的含有凸起表面形态的甲虫背模板，放入冰箱冷冻成型，完成亲水PVA水凝胶甲虫背的制备，参见图1。
其中第一步中LED光源采用410nm的LED光源，强度为18mW/cm2，XY像素分辨率为30微米，曝光时间为每层3秒，中压汞灯强度为40mW/cm2。
其中第二步中二甲亚砜:去离子水:PVA颗粒的质量比为27:9:4。
其中第二步中混合搅拌为磁力搅拌水浴锅搅拌，磁力搅拌水浴的水温为90℃，磁力搅拌速率为400rpm，搅拌时间为4h。
其中第二步中冰箱内温度设置为-20℃，冷冻时间为10h。
实施例1
该收集装置首先采用3D打印技术打印出含有表面凸起形态的甲虫背模板，再通过复制甲虫背模板表面形态制备亲水PVA水凝胶的仿生甲虫背。甲虫背上的三角脊梁凸起呈规则排列，三角尖端汇集雾气中的小水滴，相邻两条脊梁凸起之间形成收集水的运输通道，具体包括以下步骤：
第一步、光固化3D打印：3D打印机型为EnvisionTec P4 LED Mini，使用solidworks软件设计含有三角凸起表面形态的甲虫背模板的3D模型，并将其转化成STL格式导入3D打印机进行数据二次处理，使用410nm的LED光源，强度为18mW/cm2，，XY像素分辨率为30微米，曝光时间为3秒，最后通过中压汞灯固化成型，强度为40mW/cm2；
第二步、亲水PVA水凝胶制备：将二甲亚砜、去离子水、PVA颗粒按照质量比为27:9:4混合，静置溶胀30min，在水温90℃的水浴锅中搅拌4h，搅拌速率为400rpm，制备PVA水凝胶；
亲水PVA水凝胶甲虫背冷冻成型：将制备好的PVA水凝胶倒入第一步中3D打印的含有凸起表面形态的甲虫背模板，放入温度为-20℃冰箱冷冻10h成型，最后将PVA水凝胶甲虫背从模板中剥离，完成亲水PVA水凝胶甲虫背的制备，集水装置参见图1。
对比实施例1
第一步、光固化3D打印：3D打印机型为EnvisionTec P4 LED Mini，使用solidworks软件设计含有矩形凸起表面形态的甲虫背模板的3D模型，并将其转化成STL格式导入3D打印机进行数据二次处理，使用410nm的LED光源，强度为18mW/cm2，XY像素分辨率为30微米，曝光时间为3秒，最后通过中压汞灯固化成型，强度为40mW/cm2；
第二步、亲水PVA水凝胶制备：将二甲亚砜、去离子水、PVA颗粒按照质量比为27:9:4混合，静置溶胀30min，在水温90℃的水浴锅中搅拌4h，搅拌速率为400rpm，制备PVA水凝胶；
亲水PVA水凝胶甲虫背冷冻成型：将制备好的PVA水凝胶倒入第一步中3D打印的含有凸起表面形态的甲虫背模板，放入温度为-20℃冰箱冷冻10h成型，最后将PVA水凝胶甲虫背从模板中剥离，完成亲水PVA水凝胶甲虫背的制备，完成集水装置参见图3。
由图4可知，相比于实例1，对比实例1中，甲虫背上的凸起形状为矩形，相同时间内的集水量下降了一半，说明，三角的凸起尖端的60°角相较于矩形的90°角更小，使得甲虫背在捕集雾气时，会产生更大的拉普拉斯压差，更加有利于小水滴的收集，集水效果大幅提升。
对比实施例2
第一步、光固化3D打印：3D打印机型为EnvisionTec P4 LED Mini，使用solidworks软件设计含有三角凸起表面形态的甲虫背的3D模型，并将其转化成STL格式导入3D打印机进行数据二次处理，使用410nm的LED光源，强度为18mW/cm2，XY像素分辨率为30微米，曝光时间为3秒，最后通过中压汞灯固化成型，强度为40mW/cm2；
第二步、将3D打印的三角凸起表面形态的甲虫背浸泡在无水乙醇溶液中，静置五分钟，去除未固化的树脂。
完成的集水装置参见图5。
由图6可知，相比于实例1，对比实例2中，采用直接3D打印三角脊梁凸起的树脂甲虫背，集水量比水凝胶甲虫背少了7倍。说明水凝胶表面亲水的特性使得小水滴可以在甲虫背表面更加迅速的汇聚，并且在运输时，亲水表面会形成一层水膜，摩擦力会大幅减小，水的运输会更快，这也导致了集水量有大幅提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于水收集的3D打印仿生亲水PVA水凝胶甲虫背装置，其特征在于，所述收集装置包括整体呈半球状的仿生甲虫背，收集装置的底面直径为40mm，所述仿生甲虫背上设有凸起的三角脊梁，所述三角脊梁呈规律排列、每条三角脊梁间隔2mm，三角脊梁设有19条，所述三角脊梁的凸起角角度为60°，三角的变长为1.8mm。
2.如权利要求1所述的装置的打印方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
第一步、通过光固化三维成型技术制备含有凸起表面甲虫背模板: 通过机型为EnvisionTec P4 LED Mini的3D打印，使用solidworks软件设计含有三角凸起表面形态的甲虫背模板的3D模型，并将其转化成STL格式导入3D打印机进行数据二次处理，设置好LED光源的强度，XY像素分辨率以及曝光时间，最后通过中压汞灯固化成型；
第二步、通过制备复制甲虫背模板表面凸起形态的亲水PVA水凝胶甲虫背：将二甲亚砜、去离子水、PVA颗粒混合搅拌制备PVA水凝胶，倒入第一步中3D打印的含有凸起表面形态的甲虫背模板，放入冰箱冷冻成型，完成亲水PVA水凝胶甲虫背的制备。
3.如权利要求2所述的装置的打印方法，其特征在于：所述第一步中LED光源采用410nm的LED光源，强度为18mW/cm2，XY像素分辨率为30微米，曝光时间为每层3秒，中压汞灯强度为40mW/cm2。
4.如权利要求2所述的装置的打印方法，其特征在于：所述第二步中二甲亚砜:去离子水:PVA颗粒的质量比为27:9:4。
5.如权利要求2所述的装置的打印方法，其特征在于：所述第二步中混合搅拌为磁力搅拌水浴锅搅拌，磁力搅拌水浴的水温为90℃，磁力搅拌速率为400rpm，搅拌时间为4h。
6.如权利要求2所述的装置的打印方法，其特征在于：所述第二步中冰箱内温度设置为-20℃，冷冻时间为10h。
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