3D打印優(yōu)勢顯著，它可依據(jù)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行1:1完全復(fù)制打印，無論是結(jié)構(gòu)的長度、弧度、角度，在毫米微米級尺寸都能精準(zhǔn)把握細(xì)節(jié)。尤其在紡錘體形狀上，傳統(tǒng)制備仿生蜘蛛絲方法難以企及。目前人工仿生蜘蛛絲紡錘體，只能通過調(diào)整參數(shù)制備橢球形狀，無法制備其他形狀。傳統(tǒng)方法如浸漬法和靜電紡絲法，只能制成絲狀，而3D打印技術(shù)不僅能設(shè)計(jì)不同紡錘體形狀，還能設(shè)計(jì)整張仿生蜘蛛網(wǎng)，推動其工程應(yīng)用邁向新臺階，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)全新結(jié)合。

仿生蜘蛛網(wǎng)的設(shè)計(jì)

本研究采用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks進(jìn)行設(shè)計(jì)。它是世界上首個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，功能強(qiáng)大、組件繁多，有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，是領(lǐng)先主流的三維CAD解決方案。它能提供不同方案、減少設(shè)計(jì)錯誤、提高產(chǎn)品質(zhì)量，且操作簡單方便。

從蜘蛛絲紡錘體組合、形狀、周期及相鄰紡錘體連接絲曲率優(yōu)化四個方面全新設(shè)計(jì)蜘蛛網(wǎng)。充分利用拉普拉斯壓力方程和表面能梯度方程，使霧氣在紡錘體快速凝聚成小液滴，紡錘體形狀設(shè)計(jì)和連接絲曲率優(yōu)化助力小液滴快速運(yùn)輸匯聚成大液滴，縮短凝聚匯聚時間，保證懸掛液滴體積最大化，提升集水效率。

考慮到自然界蜘蛛網(wǎng)類似對稱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)蜘蛛網(wǎng)整體框架為對稱正八邊形。每段蜘蛛絲橫截面為圓形，大紡錘體一側(cè)連接處截面半徑0.25mm，另一側(cè)0.13mm，大紡錘體尖頂處截面最大半徑0.54mm，小紡錘體尖頂處0.27mm。

3D打印仿生蜘蛛網(wǎng)的制備

SolidWorks設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，將文件轉(zhuǎn)成STL格式導(dǎo)入3D打印機(jī)（DLP）二次處理。采用405nm LED光源（強(qiáng)度20mW/cm2），調(diào)整XY像素分辨率20μm，曝光時間每層2s，經(jīng)中壓汞燈（強(qiáng)度30mW/cm2）固化成型。取出樣品，放入200mL無水乙醇燒杯浸泡10min，用細(xì)毛刷拭去表面未固化光敏樹脂，樣品制備完成。

等離子體親水處理

用氮?dú)獯祾?D打印仿生蜘蛛網(wǎng)表面灰塵，將其水平放置在鋁合金支撐板，送入等離子體清洗機(jī)腔體，在70W功率下清洗150s后取出。

表面疏水化處理

用低表面能氟硅烷對3D打印仿生蜘蛛網(wǎng)表面改性，與親水處理對比。將打印樣品與裝有10μL全氟癸基三乙氧基硅烷的杯子放入玻璃容器（145mm×70mm），用鋁箔密封杯口，放入120°C烘箱加熱2h，斷開電源自然冷卻至室溫后取出樣品。

仿生蜘蛛網(wǎng)集水效果表征

將3D打印仿生蜘蛛網(wǎng)掛在自制支架固定器，加濕器管噴口垂直距蜘蛛網(wǎng)5cm，濕度儀放蜘蛛網(wǎng)邊觀察濕度，控制濕度在85% - 90%之間。正下方放盛水皿，每30min稱重（減去空培養(yǎng)質(zhì)量），記錄4次，集水過程持續(xù)120min。

基于蜘蛛絲集水原理，優(yōu)化紡錘體形狀和關(guān)節(jié)曲率。霧氣在關(guān)節(jié)和紡錘體冷凝成微小液滴，因曲率變化產(chǎn)生拉普拉斯壓差，尖頂曲率變化明顯，周期性紡錘體多尺寸排列使最大懸掛液滴三相接觸線（TCL）更長。關(guān)節(jié)和大紡錘體表面微小液滴向大紡錘體法向移動凝結(jié)成大液滴，小紡錘體表面和連接處微小液滴向小紡錘體法向移動凝結(jié)成小液滴。小液滴向大液滴匯聚，最終形成更大液滴滴落。

測試集水性能時，霧氣來自自制導(dǎo)管將加濕器霧氣固定方向噴出。霧流方向與仿生蜘蛛網(wǎng)放置夾角影響集水量。將出霧口導(dǎo)管水平放置，使霧流平行地面，蜘蛛網(wǎng)與地面呈90°、45°、0°三種角度測試。結(jié)果顯示，“單橢球”紡錘體仿生蜘蛛網(wǎng)，霧流與蜘蛛網(wǎng)面呈90°夾角時集水量最多，45°次之，0°最少。霧流方向與蜘蛛網(wǎng)面垂直時，紡錘體捕集霧氣效率最高。

采用相同形狀橢球紡錘體，按“單橢球”“雙橢球”“大小大多尺寸”紡錘體三種組合周期，探究不同組合對集水性能影響。蜘蛛絲捕集霧氣能力與紡錘體和關(guān)節(jié)組合能懸掛的最大液滴體積有關(guān)，液滴懸掛時三相接觸線（TCL）影響懸掛液滴大小。從集水量看，多尺寸紡錘體＞雙橢球紡錘體＞單橢球紡錘體，多尺寸紡錘體效率提高近一倍。因其TCL長度大于其余兩種，連續(xù)TCL使液體平滑擴(kuò)散移動，多尺寸橢球紡錘體由大小紡錘體組合，TCL可延續(xù)到三個紡錘體，懸掛體積更大，集水效率最優(yōu)。自然界蜘蛛絲紡錘體為橢球狀，傳統(tǒng)制備仿生蜘蛛絲紡錘體形狀也是橢球狀。

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