CN110408934A - 一种具有强化冷凝效果的超亲水-超疏水表面及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属表面改性领域，特别是一种具有强化冷凝效果的超亲水‑超疏水表面及制备方法。表面是在超疏水铜基底上构造超亲水区域，其中超亲水区域为圆形图案，在基底上呈阵列分布。方法包括如下步骤：(1)对铜样品表面进行抛光去污除油清洗；(2)利用碱性溶液腐蚀洁净铜表面；(3)对超亲水铜表面进行低表面能化学物质修饰，获得超疏水铜表面；(4)利用光纤激光在超疏水铜表面烧蚀具有圆形图案，以去除表面的低表面能化学物质及部分粗糙结构，得到超亲水图案，得到超亲水‑超疏水表面。本发明的超亲水/超疏水表面，克服了单一超亲水表面液滴快速生长导致的膜状冷凝的形成以及单一超疏水表面液滴生长速度慢，冷凝换热效果差等缺点。
Description
技术领域
本发明属于金属表面改性领域，特别是一种具有强化冷凝效果的超亲水-超疏水表面及制备方法。
背景技术
冷凝换热因其高效的换热效率一直受到研究者的广泛重视。根据冷凝换热表面的润湿程度，蒸汽在固体表面会产生膜状冷凝或滴状冷凝两种冷凝方式。膜状冷凝时，固体表面被逐渐增厚的水膜所覆盖，蒸汽与表面之间形成巨大的热阻，降低冷凝传热系数；而在滴状冷凝过程中，蒸汽在固体表面上以分散的液滴形式存在，液滴经过产生、长大、合并，最后脱离冷凝表面，暴露的表面促使后续蒸汽冷凝。研究表明，滴状冷凝的传热系数是相应膜状冷凝传热系数的几倍至几十倍。根据液滴在固体表面上的接触角不同，表面可以分为超亲水表面、亲水表面、疏水表面和超疏水表面。其中，超亲水、亲水表面上的液滴成核/生长速度快，但最终会导致膜状冷凝的形成；疏水、超疏水表面上的冷凝液滴脱离频率高，但冷凝液滴的生长速度慢。理想的滴状冷凝表面不仅要能够促进液滴成核，而且长大的液滴能够在表面较容易地自动脱落。超亲水-超疏水复合表面因其同时兼具超亲水表面冷凝速率快与超疏水表面液滴脱离频率高的优点，具备较好的冷凝换热效率。
近些年来，人们通过仿生的方法制备了多种超亲水-超疏水复合表面。如专利CN101016642通过光催化法在二氧化钛基底上制备了超亲水-超疏水表面，但通过光催化法制备的超亲水-超疏水表面，受掩模版的影响较大，亲水区的占比需要通过掩模版的图案进行控制，且制备成本较高，加工尺寸受限。专利CN107502875A发明了不依赖掩模版的光催化法制备了非均匀的超亲水-超疏水表面，但这样制备的表面难以控制亲水区的分布以及尺寸，在实验研究中难以定性定量分析。专利CN207003543U、CN107700591A、CN104196084A等通过在疏水基底上添加亲水性凸起颗粒制备了超亲水-超疏水表面。但是在这些制备方案中，虽然能够做到亲水区均匀分布，但是能够实现的图案尺寸较大，在微纳米级别的图案制备难度高，成本大，且表面颗粒易脱落，不适宜长时间使用。
铜作为一种重要的金属，广泛应于于许多工程领域，诸如工业冷凝器、换热器及能源输送设备等。但是目前只有很少的文章提及在铜基底上制备超亲水-超疏水表面。如论文Convective dropwise condensation heat transfer in mini-channels with biphilicsurface(International Journal of Heat and Mass Transfer,2019,134,69-84)将网筛焊接在铜表面上后进行氟化处理，再将网筛与铜基地分离露出亲水区，形成超亲水-超疏水表面。但这样获得的亲水区形状受网筛控制，难以自行控制亲水区形状，且获得的亲水区尺寸在毫米级别，难以应用到微米级别的亲水区制备。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种具有强化冷凝效果的超亲水-超疏水表面及制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种具有强化冷凝效果的超亲水-超疏水表面，所述表面是在超疏水铜基底上构造超亲水区域，其中超亲水区域为圆形图案，在基底上呈阵列分布，圆形直径为12-40μm，亲水区圆心间距与圆形直径的长度比为4:1-8:1。
一种制备上述的超亲水-超疏水表面的方法，包括如下步骤：
(1)对铜样品表面进行抛光去污除油清洗，得到干净的铜表面；
(2)利用碱性溶液腐蚀洁净铜表面，获得具有纳米结构的超亲水铜表面；
(3)对超亲水铜表面进行低表面能化学物质修饰，获得超疏水铜表面；
(4)利用光纤激光在超疏水铜表面烧蚀具有圆形图案，以去除表面的低表面能化学物质及部分粗糙结构，得到超亲水图案，而未经激光烧蚀的区域仍保持其超疏水性能，即得到超亲水-超疏水表面。
进一步的，步骤(1)所述的对铜样品表面进行清洗的方法是，首先依次用200目、500目、800目、1200目、2000目的砂纸对表面进行抛光处理，之后将样品依次放在去离子水、乙醇、异丙醇中超声清洗10-30分钟；清洗干净后，用冷风吹干或室温自然晾干，得到干净的铜表面。
进一步的，步骤(2)所述的碱性溶液为0.5-2.0M NaOH和0.01-0.1M(NH4)S2O8水溶液，样品在碱性溶液中浸泡10-60分钟，浸泡温度为室温。
进一步的，步骤(3)所述的低表面能物质为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷和正己烷混合溶液，浓度为0.5-2mmol/L，样品在溶液中修饰的时间为10-60分钟，之后在100-150℃的干燥箱中加热30-120分钟。
进一步的，步骤(4)所述的激光烧蚀采用的设备为激光雕刻机，固体激光器为光纤激光器，波长为1.06μm。
进一步的，步骤(4)所述的超亲水圆形图案可通过CorelDRAW或AutoCAD绘图软件绘制并输出到激光雕刻机控制面板。
进一步的，步骤(4)所述的激光烧蚀加工圆形图案时，功率为4.8-9W，扫描速度为0.200m/s-0.38m/s，透镜焦距为51mm，激光焦斑0.03mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
1.本发明采用的超亲水/超疏水表面，克服了单一超亲水表面液滴快速生长导致的膜状冷凝的形成以及单一超疏水表面液滴生长速度慢，冷凝换热效果差等缺点。
2.本发明的技术方案，由于使用的激光雕刻平台配套的控制程序设定激光烧蚀图案，使得表面亲水区的位置可控，得以实现各种形状分布的亲水区域。适宜于实验研究中的定性定量分析。
3.本发明的技术方案中，通过控制激光在对应位置的功率，扫描速度以及烧蚀图案，得以实现微米级别的亲水区分布，且制备难度低，制备效率高。
4.本发明的技术方案，一步即可实现在超疏水表面上烧蚀超亲水图案，工艺简单、加工快捷、能耗少，成本低，可大规模工业生产。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1(a)和图1(b)为本发明实施例1样品的超疏水区域接触角图片和超亲水区域接触角图片，其中，超亲水区域接触角通过使用对应参数激光烧蚀大片区域后于接触角测量仪测得。
图2为本发明实施例1制备的超亲水-超疏水复合表面扫描电子显微镜(SEM)图。
图3为本发明实施例1制备的超亲水-超疏水复合表面局部放大区域的SEM图。
图4为本发明实施例1制备的超亲水-超疏水复合表面冷凝液滴合并自发脱离表面的图片，图4(a)为合并脱离前的液滴分布，图4(b)为合并脱离后的裸露表面。
具体实施方式
本发明提供一种工艺简单、加工快捷、能耗少，成本低，可大规模工业生产的具有强化冷凝效果的超亲水-超疏水表面制备方法。采用该方法制备的表面，冷凝液滴可快速在亲水区成核长大，长大后的液滴合并后自动在超疏水区域脱落，具有较强的滴状冷凝换热效果。
实施例1
如图1所示，一种具有强化冷凝效果的超亲水-超疏水表面，其所述制备方法包括如下步骤：
(1)将厚度为1mm的铜片裁剪为长30mm*30mm的方形铜片。
(2)依次用200目、500目、800目、1200目、2000目的砂纸打磨铜片，进行抛光。
(3)将抛光后的铜片置于去离子水中进行10分钟超声波清洗，之后依次用乙醇、异丙醇、去离子进行冲洗，并用冷风吹干表面，得到洁净的铜片。
(4)将清洗后的铜片置于2.0M NaOH和0.1M(NH4)S2O8混合溶液中腐蚀30分钟，然后用去离子水冲洗并烘干。
(5)将步骤(4)中处理后的样品置于浓度为1mM的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷的正己烷溶液中浸泡30分钟，然后在温度为150℃的热板上加热一小时。
(6)利用绘图软件Coreldraw绘制需求的超亲水区域分布情况，所述结构为直径20μm，圆心间距100μm的圆形阵列分布。
(7)将绘制的图案输出到激光雕刻机中，在控制面板中设置激光功率为4.8W，扫描速度为2.54m/s，扫描频率为30kHz，激光模式为光栅。调整激光焦距，并刻蚀一次。
参阅图1(a)所示为本实施例中制备的超亲水-超疏水表面中超疏水部分接触角示意图，图1(b)所示为本实施例中制备的超亲水-超疏水表面中超亲水部分接触角示意图。图中液滴体积为15μL。
参阅图2所示为本实施例中制备的超亲水-超疏水表面SEM图片，可以看到其结构特征为粗糙的表面上呈阵列分布的凹陷。
参阅图2所示为本实施例中制备的超亲水-超疏水表面单个亲水区周边SEM图片。粗糙结构为覆有氟化物的氧化铜，凹陷为去除氟化物并烧蚀变形的氧化铜。
参阅图4所示为在相对湿度60％，环境温度25℃，壁面温度2℃的条件下本实施例所制表面的冷凝液滴自驱离图。可以看到所述超亲水-超疏水表面上冷凝液滴随亲水区域规则分布，且可以有效的发生冷凝液滴合并并自发脱离表面的现象。
Claims (8)
1.一种具有强化冷凝效果的超亲水-超疏水表面，其特征在于，所述表面是在超疏水铜基底上构造超亲水区域，其中超亲水区域为圆形图案，在基底上呈阵列分布，圆形直径为12-40μm，亲水区圆心间距与圆形直径的长度比为4:1-8:1。
2.一种制备权利要求1所述的超亲水-超疏水表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对铜样品表面进行抛光去污除油清洗，得到干净的铜表面；
(2)利用碱性溶液腐蚀洁净铜表面，获得具有纳米结构的超亲水铜表面；
(3)对超亲水铜表面进行低表面能化学物质修饰，获得超疏水铜表面；
(4)利用光纤激光在超疏水铜表面烧蚀具有圆形图案，以去除表面的低表面能化学物质及部分粗糙结构，得到超亲水图案，而未经激光烧蚀的区域仍保持其超疏水性能，即得到超亲水-超疏水表面。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的对铜样品表面进行清洗的方法是，首先依次用200目、500目、800目、1200目、2000目的砂纸对表面进行抛光处理，之后将样品依次放在去离子水、乙醇、异丙醇中超声清洗10-30分钟；清洗干净后，用冷风吹干或室温自然晾干，得到干净的铜表面。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的碱性溶液为0.5-2.0M NaOH和0.01-0.1M(NH4)S2O8水溶液，样品在碱性溶液中浸泡10-60分钟，浸泡温度为室温。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述的低表面能物质为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷和正己烷混合溶液，浓度为0.5-2mM，样品在溶液中修饰的时间为10-60分钟，之后在100-150℃的干燥箱中加热30-120分钟。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的激光烧蚀采用的设备为激光雕刻机，固体激光器为光纤激光器，波长为1.06μm。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的超亲水圆形图案可通过CorelDRAW或AutoCAD绘图软件绘制并输出到激光雕刻机控制面板。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的激光烧蚀加工圆形图案时，功率为4.8-9W，扫描速度为0.200m/s-0.38m/s，透镜焦距为51mm，激光焦斑0.03mm。
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