CN103359684A - 一种疏水表面、制备方法及其在滴状冷凝传热中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种疏水表面、制备方法及其在滴状冷凝传热中的应用，涉及微纳米制造、冷凝传热等领域，该疏水表面为微纳米两级结构，所述微纳米两级结构具有各向异性，所述疏水表面具有各向异性润湿性，一方面其微纳米两级结构能够促进滴状冷凝的实现，比常见的膜状冷凝能大幅提高传热效率，另一方面表面结构、润湿性的各向异性能一定程度上影响冷凝过程中水滴的合并、脱落，在重力等因素影响下加速液滴的排泄，进一步提高冷凝传热效率。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米制造以及冷凝传热技术领域，特别涉及一种疏水表面、制备方法及其在滴状冷凝传热中的应用。
背景技术
随着科学技术的发展，解决能源日益紧张的问题成为各国相关工作者的研究热点。对于热能这种应用普遍的能源形式，如何提高热能应用过程中的传热效率日益受到人们的关注。冷凝传热作为一种有效的传热方式，在工业中有广泛的应用；而滴状冷凝传热作为一种理想的冷凝传热方式，具有很高的传热系数，比现代工业广泛应用的膜状冷凝传热系数高一个数量级以上。冷凝传热应用前景广阔，如果在生产生活中均实现滴状冷凝，一定能够大幅度减少能耗、提高余热利用效率进而达到清洁生产的目的，并最终带来巨大的经济、社会效益。
自从研究人员发现荷叶效应及其表面的微纳米两级结构以来，越来越多的研究人员开始通过构筑具有微纳米结构的疏水或超疏水表面来研究其对冷凝的影响。如杜克大学的Chen等仿照荷叶表面的结构，在硅基底上构筑了一系列微米柱，并在上面沉积了一层碳纳米管，在这种微纳米结构的表面上，冷凝的液滴倾向于呈现更为稳定的Cassie状态，通过对表面进行十六硫醇处理，能够形成滴状冷凝并使液滴脱落速度加快。
到目前为止，研究人员要么通过构建微纳米结构形成滴状冷凝状态，要么通过构建微米结构促进冷凝物的排泄，鲜有文献研究各向异性微纳米结构疏水表面对滴状冷凝过程的影响。实际上，冷凝传热过程中冷凝壁的空间位置、强制对流换热中的气体流动等均表现出一定的方向性。
各向异性润湿表面（包括各向异性疏水表面）主要应用于微流体、生物医学设备等领域。Kim等通过复制模塑技术和几何形状可控的斜电子束辐照技术制备出具有长径比大约10的弯曲的纳米纤维表面，认为这种表面对流量阀或微流体设备中液滴运动的控制有潜在的应用价值。Sun等通过纳米压印光刻技术制备了一维栅线结构表面并研究了细胞排列的热动力学基础，发现细胞在栅线结构上的接触导向是由细胞扩散过程中遇到的能量壁垒引起的，作者认为这对于设计用于特殊形状细胞导向的表面具有潜在的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种疏水表面、制备方法及其在滴状冷凝传热中的应用。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种疏水表面，该疏水表面为微纳米两级结构，微纳米两级结构的表面上设置有疏水涂层，所述疏水表面具有各向异性润湿性。
所述微纳米两级结构具有各向异性。
所述微纳米两级结构包括设置于基底上的栅线形微米结构以及设置于栅线形微米结构上的纳米柱状阵列。
所述栅线的方向在冷凝传热过程中与重力方向保持一致。
所述栅线形微米结构使疏水表面形成条形的凸起和凹槽，纳米柱状阵列遍布于凸起和凹槽上。
上述疏水表面的制备方法，该疏水表面直接在基底表面构建，或者将制备好的具有微纳米两级结构的疏水柔性薄膜固定于基底表面上。
上述疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
1）采用旋涂、光刻结合的方法在金属样片的表面上制作具有栅线图形的光刻胶绝缘屏蔽膜；
2）经过步骤1）后，将金属样片作为电解阳极，通电实施电解；
3）电解结束后，去除金属样片表面上的光刻胶绝缘屏蔽膜，得到制备于金属样片表面上的栅线形微米结构；
4）用籽晶辅助的化学水浴沉积法在栅线形微米结构上生长氧化锌纳米棒，获得微纳米两级结构；
5）对微纳米两级结构表面进行氟化处理，得疏水表面。
上述疏水表面在滴状冷凝传热中的应用。
所述滴状冷凝传热的实际应用工况包括自然对流换热或者气流方向与重力方向一致的强制对流换热。
本发明所述疏水表面具有各向异性润湿性，一方面其微纳米两级结构能够促进滴状冷凝的实现，比常见的膜状冷凝能大幅提高传热效率，另一方面表面结构、润湿性的各向异性能一定程度上影响冷凝过程中水滴的合并、脱落，在重力等因素影响下加速液滴的排泄，进一步提高冷凝传热效率。
本发明通过在基底表面构建微米纳米尺度的两级结构并结合表面氟化处理手段获得疏水表面，以此来促进冷凝过程中滴状冷凝状态的形成；该疏水表面可以直接在基底表面构建，也可以将制备好的具有微纳米两级结构的疏水柔性薄膜固定于基底表面上。
本发明的特点是：①所述疏水表面具有微纳米两级结构，在冷凝传热过程中能够形成滴状冷凝；②所述疏水表面具有各向异性的微纳米结构，表现出各项异性润湿特性，这一特点使其能够加速冷凝液滴的合并和脱落；③所述疏水表面微纳米结构在金属基底上加工时具有工艺简单、高效、成本低，可用于大面积加工等特点。
附图说明
图1为实施例1所述疏水表面的主视图；
图2为实施例1所述疏水表面的俯视图；
图中：1为基底，2为栅线形微米结构，3为纳米柱状阵列。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1以及图2，本发明所述疏水表面为微纳米两级结构，微纳米两级结构的表面上设置有疏水涂层，所述疏水表面具有各向异性润湿性。所述微纳米两级结构具有各向异性。所述微纳米两级结构包括设置于基底1上的栅线形微米结构2以及设置于栅线形微米结构2上的纳米柱状阵列3。所述栅线的方向在冷凝传热过程中与重力方向保持一致。所述栅线形微米结构2使疏水表面形成条形的凸起和凹槽，纳米柱状阵列3遍布于凸起和凹槽上。
上述疏水表面的制备方法，该疏水表面直接在基底表面构建，或者将制备好的具有微纳米两级结构的疏水柔性薄膜固定于基底表面上。表面微纳米两级结构的构筑方法包括但不限于旋涂、光刻、电解等微纳米结构加工手段。具体如下：
1）采用旋涂、光刻结合的方法在金属样片的表面上制作具有栅线图形的光刻胶绝缘屏蔽膜，金属样片的表面磨削使表面光滑；
2）经过步骤1）后，将金属样片（金属表面）作为电解阳极，接通电源，通电实施电解；
3）电解结束后，先断电，然后将金属样片从夹持装置中取出，去除金属样片表面上的光刻胶绝缘屏蔽膜，得到制备于金属样片表面上的栅线形微米结构，完成微米结构加工；
4）对带有微米结构的表面清洗，用籽晶辅助的化学水浴沉积法在栅线形微米结构上生长氧化锌纳米棒，获得微纳米两级结构；
5）对微纳米两级结构表面进行氟化处理，降低表面能，得微纳米两级结构疏水表面。
其它基底上（诸如硅、PDMS等）可以通过现有的任何可以利用的微纳米尺度加工工艺获得类似的各向异性微纳米两级结构疏水表面。
微纳米结构的方向取决于传热装置的布置以及气流的方向，故而这种表面的使用必须结合现场的实际情况确定表面的结构和传热装置的布置。以实施例1为例对上述疏水表面在滴状冷凝传热中的应用进行说明。实施例1中，滴状冷凝传热属于自然对流换热，冷凝液滴的脱落主要受重力的影响。
实施例1
参照图1和图2，该疏水表面在基底表面构建的微纳米两级结构总体形状主要是栅线形结构；栅线形结构中条形的凸起和凹槽尺寸大小为微米级，遍布其上的无规则柱状阵列为纳米级的结构。所述栅线的方向在冷凝传热过程中与重力方向保持一致。
基于Rose建立的滴状冷凝导热积分模型，以各表面冷凝过程中脱落液滴最大直径为主要对比指标，对本发明所制备各向异性微纳米结构疏水表面与现有非各向异性微纳米结构疏水表面以及纳米结构疏水表面的热通量进行了计算，结果证明各向异性微纳米结构疏水表面比非各向异性微纳米结构疏水表面的热通量提高20%以上，比纳米结构疏水表面提高100%以上。
对于强制对流换热的情况，当气流的方向与重力方向基本一致时，气体流动加速液滴的脱落，减小脱落液滴最大直径，进而进一步提高传热效率。
Claims (9)
1.一种疏水表面，其特征在于：该疏水表面为微纳米两级结构，微纳米两级结构的表面上设置有疏水涂层，所述疏水表面具有各向异性润湿性。
2.根据权利要求1所述一种疏水表面，其特征在于：所述微纳米两级结构具有各向异性。
3.根据权利要求1所述一种疏水表面，其特征在于：所述微纳米两级结构包括设置于基底（1）上的栅线形微米结构（2）以及设置于栅线形微米结构（2）上的纳米柱状阵列（3）。
4.根据权利要求3所述一种疏水表面，其特征在于：所述栅线的方向在冷凝传热过程中与重力方向保持一致。
5.根据权利要求3所述一种疏水表面，其特征在于：所述栅线形微米结构（2）使疏水表面形成条形的凸起和凹槽，纳米柱状阵列（3）遍布于凸起和凹槽上。
6.一种如权利要求1所述疏水表面的制备方法，其特征在于：该疏水表面直接在基底表面构建，或者将制备好的具有微纳米两级结构的疏水柔性薄膜固定于基底表面上。
7.一种如权利要求1所述疏水表面的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）采用旋涂、光刻结合的方法在金属样片的表面上制作具有栅线图形的光刻胶绝缘屏蔽膜；
2）经过步骤1）后，将金属样片作为电解阳极，通电实施电解；
3）电解结束后，去除金属样片表面上的光刻胶绝缘屏蔽膜，得到制备于金属样片表面上的栅线形微米结构；
4）用籽晶辅助的化学水浴沉积法在栅线形微米结构上生长氧化锌纳米棒，获得微纳米两级结构；
5）对微纳米两级结构表面进行氟化处理，得疏水表面。
8.一种如权利要求1所述疏水表面在滴状冷凝传热中的应用。
9.根据权利要求8所述一种疏水表面在滴状冷凝传热中的应用，其特征在于：所述滴状冷凝传热的实际应用工况包括自然对流换热或者气流方向与重力方向一致的强制对流换热。
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