CN103276342B - 一种在金属基底上制作疏水表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在金属基底上制作疏水表面的方法，包括步骤：步骤1，高温氧化：于600~1000℃下氧化金属基体至其表面形成氧化层；步骤2，低温冷凝：将高温氧化后的金属基体冷却至室温后，于0~5℃下进行冷凝，即可在金属基底上获得疏水表面。本发明方法工艺简单、成本低廉，所制备的疏水表面可实现纯蒸汽下的珠状凝结。将所得疏水表面可用于电厂、空调以及其他工业系统中的冷凝器或冷凝管，可提高冷凝器、冷凝管的效率，从而节约金属耗材成本。

Description

一种在金属基底上制作疏水表面的方法

技术领域

    本发明属于金属表面材料技术领域，尤其涉及一种在金属基底上制作疏水表面的方法。

背景技术

作为一种必不可少的工艺过程单元设备，冷凝器已广泛应用于石油、化工、电力、轻工、食品和医药等工业领域中。冷凝传热现象主要有两种形式：珠状凝结和膜状凝结。后者的传热系数是前者的几倍甚至几十倍，因此珠状凝结若能实现工业应用，则既能减少冷凝器传热面积，又能获得节能效果。

蒸汽在固体表面上冷凝成珠的必要条件是表面不被该蒸汽的冷凝液润湿，即表面具有低表面能。然而，工业冷凝器多为金属制造，而金属表面一般为高能表面，要在金属表面形成珠状凝结，传统思路一般是降低金属表面能。

传统的实现珠状冷凝的方法主要有：①在金属表面涂覆有憎水基的化学物质；②往蒸汽中添加有机促进剂；③在金属表面上镀贵金属；④制备低表面能的聚合物表面。上述方法存在着污染冷凝液、制作环境要求苛刻、制作工艺复杂以及制作成本昂贵等问题，限制了珠状冷凝的工业应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种工艺简单、成本低廉的在金属基底上制作疏水表面的方法，所制备的疏水表面可实现纯蒸汽下的珠状凝结。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种在金属基底上制作疏水表面的方法，包括步骤：

步骤1，高温氧化：于500~1000℃下氧化金属基体至其表面形成氧化层；

步骤2，低温冷凝：将高温氧化后的金属基体冷却至室温后，于0~5℃下进行冷凝，即可在金属基底上获得疏水表面。

上述高温氧化步骤中，具体可采用采用酒精灯、酒精喷灯或电加热棒对金属基体加热，以在金属基体表面形成氧化层。

上述低温冷凝步骤中，具体可采用半导体制冷装置、冰袋或压缩制冷装置对金属基体进行冷凝。

上述低温冷凝步骤的优选方案为：

将高温氧化后的金属基体冷却至室温后，于0~5℃下反复冷凝3~5次，每次冷凝时间1~2小时，每次冷凝完成，待金属基体温度回至室温后再进行下一次冷凝。

作为优选，在高温氧化基体前，可对金属基体进行打磨。

作为优选，在低温冷凝金属基体前，清除金属基体氧化层的表层。

采用躺滴法测量金属基体疏水表面接触角，结果表明，采用本发明方法在金属基体可获得疏水表面，且疏水表面接触角为113°，见图2。采用扫描电子显微镜表征金属基体上疏水表面形貌，结果表明，疏水表面为微纳米二级结构，见图3。根据上述测试结果，可以看出，采用本发明方法是可以直接在金属基体上制备出疏水表面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明突破了传统的降低金属表面能的方法，采用在金属基体表面制作疏水表面，以达到降低金属基体表面能的目的，本发明方法具有工艺简单、成本低廉、对制作环境无严格要求、且成本低廉的优点。

2、采用本发明方法可直接在金属基体表面制作疏水表面，不需向蒸汽中添加多余的用来降低热阻的有机化学物质，可实现纯蒸汽在壁面的珠状凝结。

3、和现有的疏水表面相比，本发明所获疏水表面不仅可实现纯蒸汽下的珠状凝结，而且在含不凝结气体情况下，具有更高的凝结效率，极大强化含不凝结气体情况下的珠状凝结。

附图说明

图1为本发明具体实施的实验室意图，其中，1为紫铜片，2为酒精灯，3为氧化层，4为半导体制冷装置；

图2为金属铜表面和疏水铜表面的接触角示意图，其中，图（a）为金属铜表面接触角示意图，图（b）为疏水铜表面触角示意图；

图3为疏水铜表面的扫描电子显微镜图；

图4为疏水铜表面的XRD图；

图5为冷凝实验示意图，其中，5为铜块，6为导热硅胶层，7为接水容器，8为半导体制冷片，9为电扇，10为散热片；

图6为疏水铜表面的珠状凝结照片；

图7为4种不同表面在测量2h时的相对凝结水量。

具体实施方式

下面将以铜基体为例来详细说明本发明方法的具体实施。

本具体实施示意图见图1所示，具体步骤如下：

步骤1，采用P500和P2000型号砂纸反复打磨紫铜片。

步骤2，于空气中，将紫铜片置于500℃下高温氧化10~15分钟，或置于1000℃下高温氧化1~3分钟，在紫铜片表面形成黑色氧化层。

高温氧化步骤具体可采用酒精灯、酒精喷灯或电加热棒来提供高温。酒精灯外焰温度约500℃，酒精喷灯外焰温度约1000℃，电加热棒可根据需要设置不同的温度。

步骤3，将氧化的紫铜片于空气中冷却至室温，并用去离子水清洗紫铜片表面黑色氧化层，直至露出深红色氧化层。这里，黑色氧化层为氧化铜层，深红色氧化层为氧化亚铜层。

步骤4，将清洗后的紫铜片于0~5℃下反复冷凝3~5次，每次冷凝时间1~2小时，每次冷凝完成，待紫铜片温度回至室温后再进行下一次冷凝。具体可采用半导体制冷装置、冰袋或压缩制冷装置对紫铜片进行冷凝。

冷凝完成后，即可在紫铜片上获得疏水铜表面。

采用本发明方法，除了可在紫铜片上制备疏水铜表面，同样也可以在紫铜棒、紫铜线或紫铜管上制备疏水铜表面。

下面将对铜基体上制备的疏水铜表面的各项性能进行检测。

（1）接触角测试

采用躺滴法分别对紫铜片和疏水铜表面进行接触角测试，结果如图2，从图中可以看出，紫铜片表面接触角约为70°，为亲水状态；而疏水铜表面接触角为113°，超过了90°，为疏水状态。

（2）表面形貌表征

在疏水铜表面随机取一个点，采用扫描电子显微镜表征该点的表面形貌，结果如图3，从图中可以明显看出，紫铜基体表面形成了微纳米二级结构的穹顶型突起，微米突起与纳米突起间歇构成。微米突起的直径约为1-2μm，纳米突起的直径约为100-200nm。

（3）表面成分分析

采用X射线衍射仪（XRD）对疏水铜表面的随机一点进行成分分析，结果如图4，从图中可以看出，疏水铜表面主要成分为Cu、CuO和Cu₂O。

（4）冷凝实验

测量方法：

实验装置见图5，将导热硅胶紧密地贴在铜块4的与水平面成45°的倾斜表面上，得到导热硅胶层5，采用TEC1-12703T125型号的半导体制冷片7对铜块4的倾斜表面制冷，可通过调节半导体制冷片7两端电压来调节铜块4倾斜表面的温度，采用K型热电偶实时监控铜块4倾斜表面上的温度。本测量实验中，利用半导体制冷片7保持铜块4倾斜表面温度为5.5±0.5℃，利用JYH-152型号恒温恒湿箱控制环境温度为20℃、相对湿度100%。将待测产品紧贴在导热硅胶层5上，使待测表面朝上，水珠在待测表面上冷凝并长大，当长大到一定程度就会沿被测表面滑落到被测表面下方的接水容器6中。

采用高倍变焦摄像机观察待测表面上的凝结过程，可以观察到本发明疏水铜表面明显形成了珠状凝结，见图6。

珠状凝结较膜状凝结具有更高的换热效率，若将本发明疏水铜表面用于电厂、空调以及其他工业系统中的冷凝器或冷凝管，可提高冷凝器、冷凝管的效率，从而节约金属耗材的成本。

（5）含不凝结气体情况下的冷凝对比实验

测量方法：

本冷凝对比实验采用同实验（4）相同的实验装置和方法。利用恒温恒湿箱控制环境温度为20℃、相对湿度100%，含98%以上的不凝结气体，这里98%指体积百分比。将待测产品紧贴在导热硅胶层6上，使待测表面朝上，水珠在待测表面上冷凝并长大，当长大到一定程度就会沿被测表面滑落到被测表面下方的接水容器7中。测量2h时，利用Kern EG-N型号高精度电子天平称量接水容器7中水的重量，即得到凝结水量。

采用上述方法测量4种不同表面（A-D）的凝结水量，用来证明本发明疏水表面的优点：A表面为依次经P500、P2000砂纸打磨后的光滑铜表面，接触角70°；B表面为通过控制表面氧化法制作的超疏水CuO纳米花膜表面，接触角150°；C表面为在铜表面涂上一层蜡所形成的镀蜡表面，蜡厚度约为50μm，接触角100°；D表面为本发明疏水铜表面，接触角113°。

将表面A-D的凝结水量分别除以表面A的凝结水量，即得到各表面的相对凝结水量。图7分别为表面A-D在测量2h时的相对凝结水量对比图，由图中可以看出，疏水铜表面D的凝结水量最大，而超疏水表面B、镀蜡表面C的凝结水量都不及铜片表面A。特别的是：

1）疏水铜表面D在2h内的凝结水量可以达到铜表面的1.8倍，极大强化了金属表面的凝结效率；

2）在含不凝结气体情况下，相比其他能形成珠状凝结的疏水以及超疏水表面，疏水铜表面D具有更高的结水效率。

含不凝结气体情况下壁面的凝结在很多工业生产中都有重要的应用，比如说核电站中的被动冷却系统、海水淡化系统以及其他相变能量储存系统。提高此情况下壁面的冷凝效率，同样可以降低金属的耗材成本。

Claims (5)

1.一种在金属基底上制作疏水表面的方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，高温氧化：于600～1000℃下氧化金属基体至其表面形成氧化层；

步骤2，低温冷凝：将高温氧化后的金属基体冷却至室温后，清除金属基体氧化层的表层，于0～5℃下反复冷凝3～5次，每次冷凝时间1～2小时，每次冷凝完成，待金属基体温度回至室温后再进行下一次冷凝，即可在金属基底上获得疏水表面；

所述的金属基体为铜基体。

2.如权利要求1所述的在金属基底上制作疏水表面的方法，其特征在于：

所述的步骤1中，采用采用酒精灯、酒精喷灯或电加热棒对金属基体加热，以在金属基体表面形成氧化层。

3.如权利要求1所述的在金属基底上制作疏水表面的方法，其特征在于：

所述的步骤2中，采用半导体制冷装置、冰袋或压缩制冷装置对金属基体进行冷凝。

4.如权利要求1所述的在金属基底上制作疏水表面的方法，其特征在于：

在高温氧化基体前，对金属基体进行打磨。

5.如权利要求1所述的在金属基底上制作疏水表面的方法，其特征在于：

所述的金属基体为板状、片状、线状或管状。