CN109590691A - 一种改性铝基材表面及其制备方法与应用 - Google Patents

一种改性铝基材表面及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改性铝基材表面及其制备方法与应用，方法包括：(1)将待处理的铝表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的铝样品；(2)采用脉冲激光器对所得的铝样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到铝超疏水表面；(3)在所得的铝超疏水冷凝表面经激光加工处理出楔形或三角形并列连接的超亲水表面，即得到超疏水‑超亲水楔形或三角形相间的表面。该方法无化学修饰，工艺简单，操作方便，成本低，制得的铝基材表面为超疏水‑超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行，具备优异的冷凝性能，大大增加了铝换热率，提高了冷凝管的冷凝效率。

Description

一种改性铝基材表面及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及表面制备技术领域，尤其涉及一种改性铝基材表面及其制备方法。
背景技术
冷凝管是一种用作促成冷凝作用的设备，通常由双层玻璃管组成，它是利用热交换原理使蒸汽冷却凝结为液体的一种玻璃仪器。因为玻璃管直径有限，高温的气体或液体流经内管接触面积有限，以致热交换不充分，最终冷凝效率不高，若使传热设备的尺寸增大，则会大幅增加冷凝成本。传统冷凝管如：玻璃、铜及不锈钢材料的表面表现出亲水性(本征接触角小于90°)，不利于表面凝结液滴的脱落。
目前，对于金属材料表面的改性已越来越普遍，一般分为化学法和物理法。铝是地壳中含量最丰富的金属元素；铝合金因其具有低密度，优良的导热和导电性，较高的强度，而成为重要的结构材料；工业上应用极为广泛。用激光技术加工铝冷凝管表面，楔形或三角形图案具有定向无源驱动液滴的能力，楔形或三角形超亲水部分会将液滴吸附，与其相间的楔形或三角形超疏水部分排斥液滴定向运输，使冷凝小液滴不断汇聚加速液滴脱落，从而加快冷凝传热集水效率。本发明制备方法简单，且无化学辅助工艺，经过进一步优化调整，该方法会有着十分广阔的工业前景。在石油化工和发电工业生产以及空调装置和制冷过程中均有着广泛的应用；在电厂冷却塔的热交换器中的重要应用，传统的冷却塔是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热、对流传热和辐射传热原理来散去工业上或制冷空调中产生的余热来降低水温的蒸发散热装置，以保证装置的正常运行，装置一般为桶状，故名为冷却塔。
传统的冷却塔的水与空气流动接触后进行冷热交换需要较大的传热设备，须增大的设备的尺寸及冷凝模块总量，而采用激光处理后的铝超疏水-超亲水冷凝表面就可以直接凝结成液滴，并且快速脱离表面带走大部分的热量，从而起到增大热交换率，减少能耗，缩小传热设备的体积，既节约用地面积，又便于安装及后期维护，且能减少生产设备的成本。
例如，申请号为201711245530的专利公开了一种铝合金仿生超疏水表面的制备方法，首先将预涂含氟聚氨酯处理后的铝合金板浸入到所制备的纳米SiO2溶液中，反应12h～16h，形成了许多凹坑状结构，然后取出铝合金板，然后于80℃～100℃烘干，即得铝合金仿生超疏水表面。例如，申请号为201410209463的专利公开了一种在铝合金基底上实现水滴定向运输的方法，该方法通过光整铝合金基底，电化学刻蚀处理，超亲水表面氟化处理，超疏水表面处理，对覆胶基底进行特殊的光刻处理，得到具有特定形状的水滴定向滚动轨迹。例如，申请号为201611094510的专利公开了一种激光打标机制备铝合金超疏水功能表面的方法，首先将铝合金样品打磨、超声清洗并烘干，然后采用红外激光打标机对样品表面进行激光扫面处理，再将经激光微加工后的样品放入十六烷基三甲基硅烷的乙醇溶液中浸泡，使样品表面形成一层疏水膜。这些方法未完全突破传统化学蚀刻的表面处理工艺，采用激光加工工艺后还进一步利用了化学刻蚀，在其表面逐渐形成低表面能的薄膜，该处理工艺复杂，为了有效地获得超疏水表面，还需要用低表面能物质对表面进行必要的修饰，加工的效率不高且冷凝效率也不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供了一种改性铝基材表面及其制备方法与应用，该制备方法无化学修饰，工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，制得的铝基材表面为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行，具备优异的冷凝性能，大大增加了铝换热率，提高了冷凝管的冷凝效率。
本发明是这样实现的：
本发明的目的之一在于提供了一种改性铝基材表面的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、将待处理的铝表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的铝样品；
步骤2、采用脉冲激光器对步骤1所得的铝样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，再放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到铝超疏水表面；
步骤3、在步骤2所得的铝超疏水冷凝表面经激光加工处理出的铝超亲水表面，所述铝超亲水表面与铝超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中铝超亲水表面与铝超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。
具体地，所述子阵列若是横向排列，相邻两个所述子阵列之间设有铝超亲水汇集区则为竖向设置的，超亲水汇集区为铝超亲水表面，且铝超亲水汇集区的形状可以是任意的，可以是长方形、三角形、楔形等等。其中子阵列中的楔形或三角形的铝超亲水表面沿着水流的方向其面积是逐渐增大的，这样方便水流汇集在超亲水汇集区。
具体地，所述子阵列若是纵向排列，相邻两个所述子阵列之间设有铝超亲水汇集区则为横向设置的，超亲水汇集区为铝超亲水表面，且铝超亲水汇集区的形状可以是任意的，可以是长方形、三角形、楔形等等。其中子阵列中的楔形或三角形的铝超亲水表面沿着水流的方向其面积是逐渐增大的，这样方便水流汇集在超亲水汇集区。
优选地，所述超疏水表面有微纳米二元表面结构，且滚动角小于10°，所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角大于150°；所述超亲水表面与位于其上的液体之间形成的接触角为0°。
所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角最大可达167.1°，最小滚动角为3°，因此具有非常好的超疏水性能(液-固界面接触角大于150°即为超疏水)，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性。
优选地，所述步骤1中所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，且抛光预处理过程用直径为200mm、1000目的SiC水砂纸在所述铝表面进行抛光处理，抛光范围是100cm2，抛光时间10-20分钟。
优选地，所述步骤1中清洗、干燥的具体步骤为：将抛光后的铝样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述铝样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的表面抛光后的铝样品。
更为优选地，所述超声清洗仪的超声频率为40kHz，所述去离子水电阻率为18.25兆欧，所述去离子水将铝样品表面淹没，在室温下连续清洗20-60分钟。
优选地，所述步骤2中，所述激光扫描所用的超短脉冲激光器的波长小于1550nm，所述超短脉冲激光器的重复频率为70kHz-1000kHz；所述激光加工参数为：脉宽为10ns-500ns，单脉冲能量小于1.03mJ。
更为优选地，所述步骤2中，所述激光扫描所用的超短脉冲激光器的波长为1064nm，所述短脉冲激光器的重复频率为100kHz-540kHz；所述激光加工参数为：脉宽为20ns-240ns；所述单脉冲能量为0.1mJ-0.6mJ。
优选地，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长小于1550nm，其重复频率为70kHz-1000kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为10ns-500ns，单脉冲能量小于1.03mJ。
更为优选地，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长为1064nm，其重复频率为100kHz-540kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为20ns-240ns；所述单脉冲能量为0.1mJ-0.6mJ。
优选地，所述步骤2中，制备完毕后用锡箔纸包裹，并放入封口样品袋中，再放入电热真空干燥箱内烘烤，所述电热真空干燥箱内压力为-0.101Mpa，湿度为0％RH，温度为100℃-250℃，所述样品烘烤的时间为20-28小时，所述电热真空干燥箱内的温度误差为±1℃。
本发明的目的之二在于提供了一种所述方法制备得到的改性铝基材表面。
本发明的目的之三在于提供了所述的改性铝基材表面在提高冷凝传热效率中的应用。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明提供的一种改性铝基材表面的制备方法，无化学修饰，工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，且本发明方法的工艺参数容易控制，易于实现工业应用。
2、本发明提供的一种改性铝基材表面，为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行；所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角最大可达167.1°，最小滚动角为3°，因此具有非常好的超疏水性能(液-固界面接触角大于150°即为超疏水)，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性。
3、本发明提供的一种改性铝基材表面在提高冷凝传热效率中的应用，采用本发明方法制备得到的超疏水-超亲水铝金属表面用于冷凝管或其他冷凝金属上，具备优异的冷凝性能，大大增加了铝换热率，提高了冷凝管的冷凝效率。
附图说明
图1为本发明实验例1提供的改性铝基材表面的铝超疏水表面部分的接触角示意图和滚动角示意图；其中(a)为接触角示意图，(b)为滚动角示意图；
图2为本发明实验例2提供的改性铝基材表面的铝超疏水表面部分的接触角示意图和滚动角示意图；其中(c)为接触角示意图，(d)为滚动角示意图；
图3为本发明实验例3提供的改性铝基材表面的铝超疏水表面部分的接触角示意图和滚动角示意图；其中(e)为接触角示意图，(f)为滚动角示意图；
图4为本发明实验例4提供的改性铝基材表面的铝超疏水表面部分的接触角示意图和滚动角示意图；其中(g)为接触角示意图，(h)为滚动角示意图；
图5为本发明实施例1提供的改性铝基材表面的扫面电镜图；
图6为本发明实施例提供的改性铝表面的结构示意图；其中A铝为超亲水表面，B为铝超疏水表面。
具体实施方式
实施例1
本发明实施例提供一种改性铝基材表面及其制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、将1050铝抛光，选用功率为370W，研磨盘转速为450转/分，研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，抛光过程需要辅助直径为200mm、1200目的SiC水砂纸在所述铝表面进行抛光处理，抛光范围为100cm2，抛光时间10分钟，得到表面抛光后的铝样品；
将所述表面抛光后的铝样品用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声波频率为40kHz，用电阻率为18.25兆欧的去离子水淹没样品表面在室温下，连续清洗30分钟，然后再用乙醇清洗，清洗干净后，取出样品用蒸馏水淹没样品表面，超声波连续清洗15分钟，室温自然晾干或冷风吹干，得到洁净的铝样品；
步骤2、采用短脉冲激光器，激光器波长为1064nm，对所述得到的洁净铝样品表面进行激光扫描加工，在样品表面加工出无数的微结构；所述激光器脉宽为240ns，单脉冲能量为0.1mJ，重复频率为540kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜，使激光束以6690mm/s的扫描速度逐行逐列烧蚀所述铝品表面；所述振镜由X-Y光学扫描头、电子驱动放大器、光学反射镜片和场镜组成，所述振镜的扫描范围和速度、线扫描和面扫描路径均由电脑进行控制和设定，所述电脑提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头，从而在X-Y平面控制激光束的偏转，样品相对于激光光束沿x方向移动，通过控制移动速度和激光脉冲重复频率，使其脉冲重合度达到1％-99％，完成移动后，再沿y方向单步步进，通过控制步进距离，使其光束重合度在y方向达到1％-99％，工作台反转，所述样品加工范围为50mm×50mm；
样品经过激光加工后，将经过加工后的样品放入电热真空干燥箱里烘烤，在气压为普通大气压下，湿度为0％RH，温度为110℃条件下恒温烘烤24小时，得到所述的铝超疏水促冷凝表面；
步骤3、步骤3、在步骤2所得的铝超疏水冷凝表面经激光加工处理出的铝超亲水表面，所述铝超亲水表面与铝超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中铝超亲水表面与铝超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。
实施例2
本实施例的改性铝基材表面的制备方法，除步骤2与步骤3中所述激光器脉宽为240ns，单脉冲能量为0.12mJ，重复频率为450kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜，使激光束以5575mm/s的扫描速度逐行逐列烧蚀所述铝品表面；其余同实施例1。
实施例3
本实施例的改性铝基材表面的制备方法，除步骤2与步骤3中所述激光器脉宽为240ns，单脉冲能量为0.375mJ，重复频率为160kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜，使激光束以1666.7mm/s的扫描速度逐行逐列烧蚀所述铝品表面；其余同实施例1。
实施例4
本实施例的改性铝基材表面的制备方法，除步骤2与步骤3中；所述激光器脉宽为240ns，单脉冲能量为0.6mJ，重复频率为100kHz，所述激光扫描利用X-Y扫描振镜，使激光束以1430mm/s的扫描速度逐行逐列烧蚀所述铝品表面；其余同实施例1。
对比例1
该对比例为未进行处理的铝基材表面。
对比例2
该对比例为只有铝超疏水表面的铝基材表面。
实验例
将实施例1-实施例4的改性铝基材表面，以及对比例1-2的铝基材表面进行冷凝测试。冷凝测试在密闭恒温恒湿实验室中进行，温度约为22±1℃。将直径为50mm的冷凝表面垂直安装在控制室中，使水剧烈煮沸以除去不可冷凝的气体。通过光学显微镜和高速相机(Photron FASTCAM SA4)观察凝结液滴的动态行为，通过量筒测量一定时间内样品冷凝液滴质量以及利用热电偶(TT-K-40)数据实时采集冷凝块内部的温度Ti。其中：室温为25℃，所述表面经冷凝后经计算，普通铝的冷凝传热系数为15.24W/㎡·K，测量接触角、滚动角的蒸馏水体积为7μL。
表1为本发明实施例1-实施例4制备得到的改性铝基材表面，以及对比例1、2的铝基材表面的接触角、滚动角以及冷凝效率的测试对比结果。
表1
实施例 接触角/° 滚动角/° 冷凝效率/W/㎡·K
实施例1 165.1 3 92.105
实施例2 164.6 5.4 87.652
实施例3 157.4 8.7 88.164
实施例4 160.2 7.6 89.872
对比例1 73.2 无 40.955
对比例2 158.3 3.2 62.376
由表1可知，实施例1-实施例4制备得到的改性铝基材表面为超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面，非常利于滴状冷凝过程的实现和持续进行；具有非常好的超疏水性能，且在冷凝过程中依然保持超疏水-超亲水特性，冷凝效率高达92.105W/㎡·K。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改性铝基材表面的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、将待处理的铝表面进行抛光预处理，清洗、干燥后得到洁净的表面抛光后的铝样品；
步骤2、采用脉冲激光器对步骤1所得的铝样品表面进行激光扫描处理，在样品表面加工出多个微纳结构，再放入电热真空干燥箱内烘烤，即得到铝超疏水表面；
步骤3、在步骤2所得的铝超疏水冷凝表面经激光加工处理出的铝超亲水表面，所述铝超亲水表面与铝超疏水表面交替连接形成多个子阵列，所述子阵列中铝超亲水表面与铝超疏水表面均为楔形或三角形，相邻两个所述子阵列之间设有超亲水汇集区，即得到超疏水-超亲水楔形或三角形相间的表面。
2.如权利要求1所述的改性铝基材表面的制备方法，其特征在于，所述超疏水表面有微纳米二元表面结构，且滚动角小于10°，所述超疏水表面与位于其上的液体之间形成的接触角大于150°；所述超亲水表面与位于其上的液体之间形成的接触角为0°。
3.如权利要求1所述的改性铝基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述的抛光预处理采用功率为370W、研磨盘转速为450转/分、研磨盘直径为230mm的金相试样预磨机，且抛光预处理过程用直径为200mm、1000目的SiC水砂纸在所述铝表面进行抛光处理，抛光范围是100cm2，抛光时间10-20分钟。
4.如权利要求1所述的改性铝基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤1中清洗、干燥的具体步骤为：将抛光后的铝样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述铝样品表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的表面抛光后的铝样品。
5.如权利要求4所述的改性铝基材表面的制备方法，其特征在于，所述超声清洗仪的超声频率为40kHz，所述去离子水电阻率为18.25兆欧，所述去离子水将铝样品表面淹没，在室温下连续清洗20-60分钟。
6.如权利要求1所述的改性铝基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长小于1550nm，其重复频率为70kHz-1000kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为10ns-500ns，单脉冲能量小于1.03mJ。
7.如权利要求1所述的改性铝基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3中所用的激光为超短脉冲激光器，其波长为1064nm，其重复频率为100kHz-540kHz；所述步骤2与步骤3中所用的激光加工参数为：脉宽为20ns-240ns；所述单脉冲能量为0.1mJ-0.6mJ。
8.如权利要求1所述的改性铝基材表面的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，制备完毕后用锡箔纸包裹，并放入封口样品袋中，再放入电热真空干燥箱内烘烤，所述电热真空干燥箱内压力为-0.101Mpa，湿度为0％RH，温度为100℃-250℃，所述样品烘烤的时间为20-28小时，所述电热真空干燥箱内的温度误差为±1℃。
9.一种如权利要求1-8任一所述方法所制备得到的改性铝基材表面。
10.权利要求9所述的改性铝基材表面在提高冷凝传热效率中的应用。
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