CN109909134A - 一种高效除雾集水用烟雾除雾器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高效除雾集水用烟雾除雾器及其制备方法，属于烟雾除雾器制备领域。制备过程如下：（1）除雾器置于无水乙醇中冲洗后干燥待用；（2）干燥后除雾器用PP处理剂浸泡后烘干；（3）将有机树脂及疏水气相二氧化硅微粉分散于有机溶剂中，得到粘接层；（4）将酸性链式水性硅溶胶分散于碱性水溶液中，加入正硅酸四乙酯和疏水处理剂，再加入微米级颗粒，获得非均匀润湿性涂层；（5）将步骤（3）所得到的除雾器半固化后，在步骤（4）中制备出的杂化超疏水涂层中浸渍提拉，烘干即可。所述烟雾除雾器具有较好的强化冷凝结露、高效集水除雾效果以及良好的耐久性，且制备成本低、易于规模化应用，在快速除雾、水收集、换热等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种高效除雾集水用烟雾除雾器及其制备方法

技术领域

本发明属于烟雾除雾器制备技术领域，具体涉及一种高效除雾集水用烟雾除雾器及其制备方法。

背景技术

由于世界人口的急剧增长、工业用水量的剧增和环境污染的加剧，清洁水资源的短缺已经严重影响到了人类的基本生存，并引起了全世界的广泛关注。目前，蒸汽作为一种能源广泛应用于水的净化和海水淡化领域，如火力发电厂、大型海水淡化系统、沙漠集水、太阳能蒸馏等系统。除雾器是大量蒸汽系统设备中节水和保护环境的重要装置，安装在淋水盘上方，当上升的气流挟带水滴通过除雾装置时，水滴碰触到除雾器壁面被阻止继续上升，从而被回收，空气及捕捉不到的微小液滴就会继续上升而排放到外界环境中。因而开发一种强化冷凝集水技术用于雾水收集、工业水循环是解决水资源危机的有效途径之一。

自然界中具有增强集水效率特性的蜘蛛丝、仙人掌、沙漠甲虫等非均匀润湿性表面的研究，引起了人们极大的兴趣。当前制备二维的水收集仿生表面，多数采用光刻技术、反应离子刻蚀、光催化技术、不同润湿性材料的复合技术、激光加工技术等手段，这些技术手段设备成本高，制备工艺复杂，难以规模化制备。同时，目前文献中制备的水收集表面在各种工况下的耐久性有待提高，严重制约了集水设备的使用寿命和应用领域。

除雾器所用原料为聚丙烯（PP），是一种无毒、无臭、无味的高结晶的聚合物，对水有较高的稳定性，易于成型且具有极高的表面光泽度，对涂层粘附力差导致严重的掉漆问题，其表面涂层基膜结合力和耐久性有待提升。同时，该除雾器整体呈球状，内部有扇形排列分布，结构复杂，为表面涂层的均匀制备造成难度。

发明内容

解决的技术问题：针对现有技术中存在水收集表面制备工艺复杂、在各种工况下的耐久性差以及规模化制备困难等技术问题，本发明提供一种高效除雾集水用烟雾除雾器及其制备方法，制备的除雾器表面能够显著提高水雾收集效率，增强滴状冷凝强化结露效果，具有良好的基膜结合力、涂抹硬度和稳定的机械耐久性，同时本申请制备工艺简单、环境污染小、保存时间长，适用于各种形状基底表面，能够大规模制备。

技术方案：一种高效除雾集水用烟雾除雾器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

（1）基底的清洗：将除雾器置于无水乙醇中清洗，去除表面灰尘杂质，干燥后备用；

（2）底漆处理剂处理：将干燥后的除雾器用PP处理剂浸泡后烘干，使表面预粗糙化；

（3）树脂粘结层制备：将有机树脂和疏水气相二氧化硅微粉分散于有机溶剂中，有机树脂在有机溶剂中的质量浓度为15-40%，所述疏水气相二氧化硅微粉分散在有机溶剂中的质量浓度为0.5-1%，搅拌均匀后得到树脂粘接剂，采用浸渍提拉的方式于基底表面形成树脂粘结层；

（4）非均匀润湿性涂层制备，其中按比例计算，体积份单位为mL时质量份单位为g：将1-15体积份酸性纳米链式硅溶胶、2-10体积份25-28 wt.%氨水、6-16体积份去离子水、0.1-1体积份正硅酸四乙酯、0.1-2体积份疏水处理剂分散于60-100体积份无水乙醇中，连续机械搅拌12-48 h，然后加入颗粒粒径为5-30 μm的杂化颗粒，杂化颗粒与无水乙醇的比值为1g:(250-500) mL，经机械搅拌和自然静置后获得非均匀润湿性涂层；

（5）待步骤（3）所得到的除雾器表面树脂粘接层在80℃或室温下放置0.5-2小时半固化后，在步骤（4）中制备出的杂化超疏水涂层中浸渍提拉，烘干5-30分钟后即可得所述高效除雾集水用烟雾除雾器。

作为优选，所述步骤（3）中有机树脂为水性氟碳树脂、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物和丙烯酸聚氨酯漆中的至少一种。

作为优选，所述步骤（3）中有机溶剂为乙酸丁酯。

作为优选，所述步骤（4）中疏水处理剂为烷基硅氧烷。

作为优选，所述步骤（4）中杂化颗粒为碳化硅、二硫化钼、氮化硼和气相二氧化硅颗粒中的至少一种。

作为优选，所述步骤（3）和步骤（5）中浸渍提拉工艺参数如下：以1-50 mm/s的速度浸入涂料中，浸渍30-60 s后再以0.05-10 mm/s的速度缓慢提拉，停留120-300 s后再循环以上过程2-5次。

上述方法制备的高效除雾集水用烟雾除雾器。

有益效果：

（1）本申请采用表面预粗糙化和有机树脂粘接剂结合的方法得到非均匀润湿性除雾器表面，对比未进行预粗糙化的非均匀润湿性表面，本发明处理的表面涂层基膜结合力由3-4级提高至零级，极大提高表面纳米颗粒粘接性；手指耐磨性显著提高，涂膜硬度达到H，具有良好的机械耐久性和稳定性，能够更好地延长使用寿命。

（2）本申请具有优异的除雾集水性能，采用颗粒杂化非均匀润湿性涂层处理，使表面具有滴状冷凝特性，试验结果表明，本申请制备的除雾器表面相对于现使用的除雾器表面，集水效率提高了2倍以上。在太阳能蒸馏器、电厂排放废气中的水回收、大型海水淡化系统、沙漠集水等雾水收集方面，均具有广泛的应用前景。

（3）本申请制备的烟雾除雾器不仅具有强化滴状冷凝、高效除雾集水、机械耐久性好的优点，而且液滴迅速地脱落能够使表面保持干燥，防止微生物生长和提高耐腐蚀性，延长设备使用寿命。

（4）本申请处理过程简单，技术设备要求低，适用范围广，成本低廉，可大规模制备，有利于减缓环境污染、水资源紧张等问题，具有广泛的适用性。

附图说明

图1为多面空心球除雾器结构示意图，图中（a）为除雾器主视图，（b）为除雾器剖视图；

图2为底漆处理剂处理后除雾器表面纳米结构扫描电子显微镜图；

图3为实施例1中所述烟雾除雾器处理前后表面水接触角示意图；

图4为实施例2所述烟雾除雾器表面集水效率图；

图5为实施例3所述烟雾除雾器表面扫描电子显微镜图；

图6为实施例3所述烟雾除雾器表面手指耐磨性表征图；

图7为实施例3所述烟雾除雾器表面涂层硬度表征图；

图8为实施例3所述烟雾除雾器表面为基膜结合力表征图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种高效除雾集水用烟雾除雾器及其制备方法，具体制备方法如下：

（1）基底的清洗：将多面空心球除雾器置于无水乙醇中冲洗，去除表面灰尘杂质，干燥待用，除雾器结构示意图参见图1。

（2）底漆处理剂处理：除雾器用霸润PP专用底漆即PP处理剂浸泡后在80℃烘干10min，使表面预粗糙化，PP处理剂处理后除雾器表面纳米结构扫描电子显微镜图参见图2。

（3）树脂粘接层制备：将有机树脂和疏水气相二氧化硅微粉分散于有机溶剂中，有机溶剂为乙酸丁酯，选择水性氟碳树脂为有机树脂。有机树脂在有机溶剂中的质量浓度为15%，所述疏水气相二氧化硅微粉分散在有机溶剂中的质量浓度为0.5%，搅拌均匀后得到树脂粘接剂，采用浸渍提拉的方式于基底表面形成树脂粘接层，所述浸渍提拉工艺参数如下：以1 mm/s的速度浸入涂料中，浸渍30 s后再以0.05 mm/s的速度缓慢提拉，停留120 s后再循环以上过程2次。

（4）非均匀润湿性涂层制备：将1体积份纳米硅溶胶、2体积份氨水、6体积份去离子水、0.1体积份正硅酸四乙酯、0.1体积份疏水处理剂分散于60体积份无水乙醇中，所述疏水处理剂为氟硅烷，连续机械搅拌12 h，然后加入颗粒粒径为5 μm的碳化硅杂化颗粒，杂化颗粒的质量与无水乙醇的体积之比为1 g:500 mL，经机械搅拌和自然静置后获得非均匀润湿性涂层。

（5）待步骤（3）所得到的除雾器表面树脂粘接层在80℃放置0.5 h半固化后，在步骤（4）中制备出的杂化超疏水涂层中浸渍提拉，80℃烘干5 min后即可得所述高效除雾集水用烟雾除雾器，所述浸渍提拉工艺参数如下：以1 mm/s的速度浸入涂料中，浸渍30 s后再以0.05 mm/s的速度缓慢提拉，停留120 s后再循环以上过程2次。

图3为上述步骤处理前后烟雾除雾器表面接触角的示意图，从图中可以看出，未处理的除雾器表面呈亲水性，按上述步骤处理后的烟雾除雾器表面呈宏观超疏水状态，且滚动角很小，说明表面液滴粘附性低。

实施例2

一种高效除雾集水用烟雾除雾器及其制备方法，具体制备方法如下：

（1）基底的清洗：将多面空心球除雾器置于无水乙醇中冲洗，去除表面灰尘杂质，干燥待用，除雾器结构示意图参见图1。

（2）底漆处理剂处理：除雾器用霸润PP专用底漆即PP处理剂浸泡后烘干60 min，使表面预粗糙化，PP处理剂处理后除雾器表面纳米结构扫描电子显微镜图参见图2。

（3）树脂粘接层制备：将有机树脂和疏水气相二氧化硅微粉分散于乙酸丁酯有机溶剂中，有机树脂为水性氟碳树脂，在有机溶剂中的质量浓度为40%，所述疏水气相二氧化硅微粉分散在有机溶剂中的质量浓度为1%，搅拌均匀后得到树脂粘接剂，采用浸渍提拉的方式于基底表面形成树脂粘接层，所述浸渍提拉工艺参数如下：以50 mm/s的速度浸入涂料中，浸渍60 s后再以10 mm/s的速度缓慢提拉，停留300 s后再循环以上过程5次。

（4）非均匀润湿性涂层制备：将15体积份纳米硅溶胶、10体积份氨水、16体积份去离子水、1体积份正硅酸四乙酯、2体积份疏水处理剂分散于100体积份无水乙醇中，所述疏水处理剂为氟硅烷，连续机械搅拌48 h，然后加入颗粒粒径为30 μm的碳化硅杂化颗粒，杂化颗粒的质量与添加无水乙醇的体积之比为1 g:250 mL，经机械搅拌和自然静置后获得非均匀润湿性涂层。

（5）待步骤（3）所得到的除雾器表面树脂粘接层在室温下放置2 h半固化后，在步骤（4）中制备出的杂化超疏水涂层中浸渍提拉，在80℃烘干30 min后即可得所述高效除雾集水用烟雾除雾器，所述浸渍提拉工艺参数如下：以50 mm/s的速度浸入涂料中，浸渍60 s后再以10 mm/s的速度缓慢提拉，停留300 s后再循环以上过程5次。

上述制备方法制得的烟雾除雾器表面具有强化除雾集水效果，有效强化滴状冷凝集水特性，具有良好的基膜结合力和涂膜硬度，且具有稳定的机械耐久性。处理后的除雾器表面液滴小而密集分布，呈滴状冷凝，因此集水效率能够提高。图4为上述步骤制备前后的烟雾除雾器表面集水5 h后的集水效率图，可见集水效率提高了2.5倍。

实施例3

一种高效除雾集水用烟雾除雾器及其制备方法，具体制备方法如下：

（1）基底的清洗：将多面空心球除雾器置于无水乙醇中冲洗，去除表面灰尘杂质，干燥待用，除雾器结构示意图参见图1。

（2）底漆处理剂处理：除雾器用霸润PP专用底漆即PP处理剂浸泡后烘干10 min，使表面预粗糙化，PP处理剂处理后除雾器表面纳米结构扫描电子显微镜图参见图2。

（3）树脂粘接层制备：将质量浓度为15%的水性氟碳树脂和丙烯酸聚氨酯漆按质量比1:1、质量浓度为1%疏水气相二氧化硅分散于乙酸丁酯有机溶剂中，搅拌均匀后得到树脂粘接剂，采用浸渍提拉的方式于基底表面形成树脂粘接层，所述浸渍提拉工艺参数如下：以5mm/s的速度浸入涂料中，浸渍30 s后再以0.05 mm/s的速度缓慢提拉，停留120 s后再循环以上过程3次。

（4）非均匀润湿性涂层制备：将8体积份纳米硅溶胶、3体积份氨水、10体积份去离子水、0.5体积份正硅酸四乙酯、1.5体积份疏水处理剂分散于80体积份无水乙醇中，所述疏水处理剂为氟硅烷，连续机械搅拌24 h，然后加入颗粒粒径在7-10 μm的碳化硅杂化颗粒，杂化颗粒的质量与添加无水乙醇的体积之比为1 g:500 mL，经机械搅拌和自然静置后获得非均匀润湿性涂层。

（5）待步骤（3）所得到的除雾器表面树脂粘接层在80℃下放置0.5 h半固化后，在步骤（4）中制备出的杂化超疏水涂层中浸渍提拉，在80℃烘干30 min后即可得所述高效除雾集水用烟雾除雾器，所述浸渍提拉工艺参数如下：以5mm/s的速度浸入涂料中，浸渍30 s后再以0.05 mm/s的速度缓慢提拉，停留120 s后再循环以上过程3次。

上述制备方法制得的烟雾除雾器表面扫描电子显微镜图参见图5，杂化涂层均匀覆盖表面，杂化颗粒均匀分布；图6-8为上述得到的烟雾除雾器表面机械耐久性表征图，分别从手指耐磨性、涂层硬度、基膜结合力三个方面进行表征。从手指摩擦结果显示，经过手指摩擦30次表面仍然保持超疏水性，表明表面具有良好的耐摩擦性；涂膜硬度铅笔测试法结果显示，涂膜硬度大于HB；基膜结合力测试结果，表明上述制备方法制备的涂层切割边缘完全平滑，没有一处方格脱落，测试结果为0级，具有良好的基膜结合力。

Claims (7)

1.一种高效除雾集水用烟雾除雾器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）基底的清洗：将除雾器置于无水乙醇中清洗，去除表面灰尘杂质，干燥后备用；

（2）底漆处理剂处理：将干燥后的除雾器用PP处理剂浸泡后烘干，使表面预粗糙化；

（3）树脂粘结层制备：将有机树脂和疏水气相二氧化硅微粉分散于有机溶剂中，有机树脂在有机溶剂中的质量浓度为15-40%，所述疏水气相二氧化硅微粉分散在有机溶剂中的质量浓度为0.5-1%，搅拌均匀后得到树脂粘接剂，采用浸渍提拉的方式于基底表面形成树脂粘结层；

（4）非均匀润湿性涂层制备：将1-15体积份酸性的纳米链式硅溶胶、2-10体积份25-28wt.% 氨水、6-16体积份去离子水、0.1-1体积份正硅酸四乙酯、0.1-2体积份疏水处理剂分散于60-100体积份无水乙醇中，连续机械搅拌12-48 h，然后加入颗粒粒径为5-30 μm的杂化颗粒，杂化颗粒与无水乙醇的比值为1 g:(250-500) mL，经机械搅拌和自然静置后获得非均匀润湿性涂层；

（5）待步骤（3）所得到的除雾器表面树脂粘接层在80℃或室温下放置0.5-2小时半固化后，在步骤（4）中制备出的杂化超疏水涂层中浸渍提拉，烘干5-30分钟后即可得所述高效除雾集水用烟雾除雾器。

2.根据权利要求1所述的一种高效除雾集水用烟雾除雾器的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中有机树脂为水性氟碳树脂、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物和丙烯酸聚氨酯漆中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种高效除雾集水用烟雾除雾器的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中有机溶剂为乙酸丁酯。

4.根据权利要求1所述的一种高效除雾集水用烟雾除雾器的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中疏水处理剂为烷基硅氧烷。

5.根据权利要求1所述的一种高效除雾集水用烟雾除雾器的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中杂化颗粒为碳化硅、二硫化钼、氮化硼和气相二氧化硅颗粒中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种高效除雾集水用烟雾除雾器的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）和步骤（5）中浸渍提拉工艺参数如下：以1-50 mm/s的速度浸入涂料中，浸渍30-60 s后再以0.05-10 mm/s的速度提拉，停留120-300 s后再循环以上过程2-5次。

7.权利要求1-6任一所述的方法制备的高效除雾集水用烟雾除雾器。