CN109082698A - 一种用于消除微纳多孔表面沸腾迟滞效应的ptfe疏水修饰多孔表面的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于消除微纳多孔表面沸腾迟滞效应的PTFE疏水修饰多孔表面的制备方法。包括（1）多孔金属表面预处理：首先使用稀硫酸溶液除去表面氧化物，然后用高浓度碱液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗若干次，烘干后备用；（2）多孔金属表面疏水修饰：在配置好的PTFE颗粒乙醇悬浮液中，多孔金属表面作为阴极，在一定的直流电压下进行电泳沉积，使得PTFE颗粒附着到多孔金属表面；（3）修饰后的疏水多孔金属表面烧结。本发明通过PTFE修饰的方法，将亲水的微纳多孔结构转化为表观疏水的多孔结构，从而使得多孔结构的激活温度大大降低，从而达到消除沸腾迟滞现象的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于消除微纳多孔表面沸腾迟滞效应的PTFE疏水修饰多孔表面的制备，属于传热传质领域。
背景技术
微/纳米结构表面处理技术是强化沸腾传热的重要技术手段（CN106435665A、CN105258548A、CN103822519A）。微纳多尺度结构在增强沸腾传热的同时，通常也伴随着比较明显的沸腾迟滞效应（Poniewski, M.E.,. International Journal of ThermalSciences, 2004. 43(5): p. 431-442.）。这种现象体现在沸腾曲线图中则为热流密度逐渐上升阶段的沸腾曲线与热流密度逐渐下降曲线不重合。Poniewsk（Poniewski, M.E.,.International Journal of Thermal Sciences, 2004. 43(5): p. 431-442.）综述了以池沸腾曲线为基础的六种不同类型沸腾迟滞效应。Wojcik在紫铜纤维毡多孔表面验证了上述六种沸腾迟滞效应（Wojcik, T.M.. Experimental Thermal and Fluid Science,2009. 33(3): p. 397-404）。Ahn et al在氧化石墨烯修饰的铜表面上也发现了type-III型沸腾迟滞现象（Ahn, H.S., et al., International Journal of Heat and MassTransfer, 2014. 78: p. 224-231.）。Wang et al.在微纳双尺度多孔表面发现了成核迟滞型的沸腾迟滞效应（Wang, Y.-Q., et al., International Journal of Heat andMass Transfer, 2018. 119: p. 333-342.）。
通常沸腾迟滞现象被认为是不利于工业运用时对稳定性的要求的（Poniewski,M.E.,. International Journal of Thermal Sciences, 2004. 43(5): p. 431-442.）。所以，在保持微纳多尺度结构优异的沸腾传热性能的同时，如何减弱或者消除沸腾时的迟滞效应，是将微纳结构表面推向实际运用时面临的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提出一种通过疏水材料修饰来解决多孔材料表面在沸腾过程中出现沸腾迟滞效应的方法。
为实现上述目的，本发明采用在多孔结构表面修饰PTFE的方法来制备消除沸腾迟滞效应的疏水多孔表面。其特点在于基层金属多孔表面为亲水结构，而经过PTFE疏水修饰后，其表观显示为疏水。电泳沉积PTFE颗粒的过程中，所选用的多孔金属表面为亲水表面。
一种用于消除微纳多孔表面沸腾迟滞效应的PTFE疏水修饰多孔表面的制备方法，包括以下步骤：
（1）多孔金属表面预处理：首先使用稀硫酸溶液除去表面氧化物，然后用高浓度碱液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗若干次，烘干后备用；
（2）多孔金属表面疏水修饰：在配置好的PTFE颗粒乙醇悬浮液中，多孔金属表面作为阴极，在一定的直流电压下进行电泳沉积，使得PTFE颗粒附着到多孔金属表面；
（3）修饰后的疏水多孔金属表面烧结：将制备好的PTFE修饰多孔金属表面，在还原气氛中烧结，以增强PTFE与多孔金属表面的结合力。
在上述的制备方法中，步骤（2）中，所选用的PTFE颗粒的粒径为1nm ~ 1mm。
在上述的制备方法中，步骤（2）中，在乙醇悬浮液中，PTFE的浓度为0.005g/L ~50g/L。
在上述的制备方法中，步骤（2）中，电泳沉积时，所选用的电压为3V ~ 300V。
在上述的制备方法中，步骤（2）中，电泳沉积时，反应时间为1s ~ 1 h。
在上述的制备方法中，步骤（3）中，烧结温度为260℃ ~ 380℃，时间为1min ~10h。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1．一种用于消除微纳多孔表面沸腾迟滞效应的PTFE疏水修饰多孔表面和传统表面相比，消除了沸腾迟滞效应，增加了沸腾传热系统在运行过程中稳定性和安全性。
2.疏水修饰采用的PTFE颗粒相对于氟硅烷等疏水材料相比，简单易得，稳定性好；使用的电泳技术简单，能耗低，便于大规模运用。
附图说明
图1为扫描电镜图（a）（b）未修饰表面（c）（d）PTFE修饰表面；
图2为样品润湿性能表征 （a）(b)未修饰表面亲水性测试；（c）（d）PTFE修饰后样品表面疏水性能测试；
图3为池沸腾曲线：热流密度与壁面过热度关系图。
具体实施方式
使用PTFE颗粒修饰亲水多孔金属表面使其变为表观疏水的多孔表面，从而消除在沸腾过程中的沸腾迟滞效应，增加微纳多孔金属材料在实际使用过程的稳定性和安全性。下面结合具体附图和较佳实例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例1：
（1）多孔金属表面预处理：首先选取底部为树林状结构，上部为蜂窝微纳多孔结构的复合双层结构作为多孔金属表面。使用稀硫酸溶液除去表面氧化物，然后用高浓度碱液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗3次，烘干后备用。经亲水性能测试，其表面结构如图1（a）（b）所示。如图2所示，5μL的水滴能够在12ms内被吸入多孔材料，显示出超亲水性能。
（2）多孔金属表面疏水修饰：在配置好的浓度为1.0g/L、粒径为4微米的PTFE颗粒乙醇悬浮液中。以复合双层结构多孔金属表面作为阴极，在一定的直流30V的电压下进行电泳沉积20s，使得PTFE颗粒附着到多孔金属表面。
（3）修饰的疏水多孔金属表面烧结：将制备好的PTFE修饰的多孔金属表面，在5%氢气氮气混合气氛、310℃的条件下烧结1.5h，以增强PTFE与多孔金属表面的结合力。烧结后对其亲水性测试表明，其接触角约为140°，为疏水状态。其表面结构如图1（c）（d）所示。
（4）池沸腾性能测试。对样品进行池沸腾测试所得的沸腾曲线如图3所示，对于未修饰样品而言，在热流密度上升阶段的曲线和热流密度下降阶段的曲线不重合，即，在相同热流密度下，热流密度上升阶段和下降阶段的壁面过热度差别约4℃，显示出强烈的沸腾迟滞效应。上层蜂窝状结构需要在壁面过热度约18℃的时候才能完全被激活；而在经过PTFE疏水修饰之后,在热流密度上升和热流密度下降阶段的沸腾曲线基本重合，说明沸腾迟滞现象被消除。
Claims (6)
1.一种用于消除微纳多孔表面沸腾迟滞效应的PTFE疏水修饰多孔表面的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）多孔金属表面预处理：首先使用稀硫酸溶液除去表面氧化物，然后用高浓度碱液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗若干次，烘干后备用；
（2）多孔金属表面疏水修饰：在配置好的PTFE颗粒乙醇悬浮液中，多孔金属表面作为阴极，在一定的直流电压下进行电泳沉积，使得PTFE颗粒附着到多孔金属表面；
（3）修饰后的疏水多孔金属表面烧结：将制备好的PTFE修饰多孔金属表面，在还原气氛中烧结，以增强PTFE与多孔金属表面的结合力。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所选用的PTFE颗粒的粒径为1nm ~ 1mm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，在乙醇悬浮液中，PTFE的浓度为0.005g/L ~50 g/L。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，电泳沉积时，所选用的电压为3V ~ 300V。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，电泳沉积时，反应时间为1s~ 1 h。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，烧结温度为260℃ ~ 380℃，时间为1min ~ 10h。
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