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3D打印赋能蜘蛛丝纺锤体设计

来源:杰呈3D打印 发布时间:2025-11-14 16:05:21 浏览次数:0
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3D打印所带来的蜘蛛丝上纺锤体设计的自由性和可控性,为探究不同纺锤体形状对于集水性能的影响提供了可能。具体研究内容如下:

一、不同纺锤体形状对集水性能的影响

设计了三种纺锤体形状,分别为“椭球状”“尖顶状”以及“凸台状”。从雾气捕集的集水量来看,尖顶状的蜘蛛网集水量较于椭球状的集水量,效率提升了10%,凸台纺锤体的集水性能最差。

原因在于:尖顶状的纺锤体顶端的尖角曲率更大,而椭球状的顶端较为平滑。所以尖顶纺锤体的拉普拉斯压力大于椭球状纺锤体,尖顶上方的扩散通量也要大于平滑的椭球状和凸台状纺锤体。当雾气在经过这两种形状的纺锤体时,更容易在扩散通量大的尖顶纺锤体上凝结成小水滴。小水滴凝结的速度越快,使得小水滴汇聚的量变大,加速了悬挂液滴滴落的时间,从而集水效率随之升高。

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二、连接丝曲率优化对集水性能的影响

传统制备的仿生蜘蛛丝上的集水区域只发生在纺锤体以及纺锤体与丝的连接处。纺锤体曲率的变化产生的拉普拉斯压力,以及连接处与纺锤体上的粗糙度变化产生的表面自由能梯度两种驱动力使小液滴运输汇聚。但是,粘附在关节中间位置处的小液滴不能快速有效的运输,在一定程度上限制了小液滴的传输效率。

为此,对相邻纺锤体之间的连接丝做了具有曲率变化的处理,大纺锤体处连接丝的截面直径大于小纺锤体处连接丝的截面直径。在满足上文中实验得出的多尺寸纺锤体的集水效果较优的情况下,对连接丝进行曲率优化处理。

从集水量来看,曲率优化后的蜘蛛网集水量达到3.92 g,相较于优化前的蜘蛛网,集水效率提升了65%。因为粘附在连接丝上的小液滴没有表面能梯度的变化,无法向纺锤体处汇聚。在对连接丝进行曲率优化后,小纺锤体一侧的连接处的曲率更大,拉普拉斯力越大;大纺锤体一侧的连接处的曲率较小,拉普拉斯力较小。两侧形成的拉普拉斯压力差驱使小纺锤体处的小液滴向着大纺锤体移动。这样整段蜘蛛丝(纺锤体、连接丝)上的所有小液滴都会受力运动,加快了小液滴的运输,缩短悬挂液滴滴落的时间,导致集水效率的提高。

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三、非对称纺锤体设计设想

目前只考虑在蜘蛛网纺锤体左右对称的情况下,对纺锤体的形状做出改变。由此考虑,如果以纺锤体的中间为界限,设计出两边不同形状的纺锤体,是否可以让纺锤体的最上端在捕集雾气、凝结形成小水珠的时候,因为左右两边形状的差异,使得小液滴一开始会自发的从纺锤体的一边移动到另外一边。这样可以更快的使得从纺锤体与连接丝处的小水珠以及曲率优化后的连接丝上的小水珠,两个方向运输来的小水珠进行汇聚,进一步缩短大液滴汇聚的时间,加快悬挂液滴滴落的速率。

四、不同表面结构对集水性能的影响

蜘蛛丝上纺锤体因为粗糙度的变化产生的表面自由能梯度而产生驱动力,所以蜘蛛丝表面结构也影响着集水性能。采用等离子清洗生成亲水表面,以及硅烷处理产生疏水表面两种方法,探究不同的表面结构对集水效率的影响。对半凸半凹弧蜘蛛网进行亲水、疏水处理,从雾气捕集的集水量来看,亲水表面的蜘蛛丝集水性能更优,相较于疏水表面,集水效率提升了58%。

原因在于:蜘蛛丝上的水运输需要在关节处以及纺锤体上粘附很多的微小液滴,从而发生运输汇聚。疏水表面的小液珠接触角大,悬挂时的TCL长度非常短,在运输过程中,容易滴落,很难汇聚成大液滴。而亲水表面会使小液滴粘附在蜘蛛丝的表面,形成一层水膜,会加快液滴的运输速度,从而提升了集水量。


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