CN110424000B - 一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法 - Google Patents

一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，所述方法包括：先使用有机溶剂去除铜质基底上的油污，再浸入酸溶液中去除表面氧化层。接着将表面浸入反应液中反应一段时间后置于高温环境烘烤，再将其浸入聚四氟乙烯(PTFE)颗粒分散液一段时间后去除表面多余分散液并置于高温环境中烘烤。最后，将上述获得的干燥表面浸入润滑液中，使其完全浸润后去除表面多余润滑液即可获得所述具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面。

Description

一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法
技术领域：
本发明涉及相变换热技术领域，特别涉及一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法。
背景技术：
与单相流体换热相比，相变换热因具有良好的换热能力普遍应用于许多工业领域，例如应用于先进的热管理系统及设备中，包括大功率电子集成器件、大功率激光器、新能源汽车电池组件等。又如用于化工、电力、冶金、船舶等重要制造业中的有机朗肯循环系统中，如火力发电过程中蒸汽在冷凝器中凝结为水，并流回水冷壁从而实现热力循环。在上述的工业应用中，水因具有较大的相变潜热、经济性好、易获取等优点成为最常用的相变换热液体工质，水蒸气在冷凝表面(冷凝表面温度低于指定压力下水的饱和温度)冷凝并释放大量的热量。蒸汽冷凝可以分为两种主要的模式，即膜状冷凝和珠状冷凝。其中，膜状冷凝时，冷凝表面会形成一层具有较大热阻的液膜，不利于传热。而珠状凝结时，冷凝液滴能从冷凝表面有效脱离，裸露出大面积的冷凝表面，从而具有比膜状冷凝大几倍甚至十几倍的传热系数。
然而目前在热力循环系统、冷凝换热装置等应用领域的冷凝表面主要是具有良好亲水性的金属或其氧化物，如Cu、Al、CuO、Al2O3等。这些冷凝表面往往具有较高的表面能，水蒸气在其表面发生膜状冷凝，限制了整个系统/装置的换热效率，降低了经济性。为了促进珠状凝结需要降低冷凝表面的表面能，增大液滴与冷凝表面的接触角，使其疏水，利于冷凝液滴脱离表面，提高冷凝换热系数。
现有研究中，为了形成较高换热能力的冷凝表面，研究者们开发出多种实现珠状凝结表面的方法，如在表面涂抹超疏水有机涂层、添加有机促进剂、镀贵金属/金属化合物、沉积高分子聚合物材料、自组装疏水分子层、表面微/纳米结构处理等。这些方法加工工艺要求高，经济性差，冷凝液滴难以排走等,这些问题就妨碍了它们的实际应用。
发明内容：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面,这种冷凝表面是一种模仿猪笼草结构的仿生表面，这是一种将润滑液灌注入微/纳米多孔结构中而形成的一种具有小滑动角(<10°)、优异的疏液特性的表面。在冷凝过程中，冷凝液滴使得这种冷凝表面温度分布不均匀，导致液滴三相接触线处产生温度梯度从而产生表面张力梯度，使得冷凝液滴向低温区域迁移并吞并小液滴。两个冷凝液滴融合的过程中为使液滴表面能最小，大液滴也受到小液滴的一个牵引力从而增强了液滴的迁移。
本发明提供了一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法具有制备简单、经济性好、疏水性好，冷凝液滴具有“智能”自动向周围低温区域液滴移动并融合排走、高效的冷凝换热能力等优点,具有非常重要的工程应用意义。
一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，具体步骤如下：
先使用有机溶剂去除铜质基底上的油污，再浸入酸溶液中去除表面氧化层。接着将表面浸入反应液中反应一段时间后置于高温环境烘烤，再将其浸入聚四氟乙烯(PTFE)颗粒分散液一段时间后去除表面多余分散液并置于高温环境中烘烤。最后，将上述获得的干燥表面浸入润滑液中，使其完全浸润后去除表面多余润滑液即可获得所述具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面。
优选地，所述有机溶剂包括无水乙醇、丙酮等溶解性强、挥发性好、毒性小、价格便宜和对材料没有腐蚀性的溶剂。
优选地，所述酸溶液包括盐酸、硫酸的水溶液。
优选地，所述反应液为浓度为0.25mol/L～7mol/L氢氧化钠(NaOH)溶液和0.05mol/L～1.5mol/L过硫酸铵((NH4)2S2O8)溶液按照体积比1：1均匀混合的混合液。
优选地，所述聚四氟乙烯(PTFE)颗粒分散液的PTFE颗粒的质量分数为0.1w％～8w％。
优选地，所述润滑液为硅油润滑油或脂类润滑油。
本发明的有益效果：
(1)本发明方法所得的凝结表面具有优异的疏水特性,其水滴的接触角可达95°以上，且具有“智能”自驱特性，即使在水平布置的情况下也可以使直径较大的冷凝液滴自动快速向低温区迁移，并吞并小液滴，从而裸露出冷凝表面，有利于增强冷凝传热，提高冷凝传热装置及系统的效率，具有显著的经济效益。
(2)本发明方法所得的凝结表面具有优异的疏水特性，滑动角小(<5°)，自清洁效果好。
(3)本发明制备方法制备所用材料简单、经济性好,操作简单易行，具有很强的市场推广潜力。
附图说明：
图1为本发明的一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的结构示意图，
其中1为液滴、2为润滑油薄膜、3为PTFE颗粒、4为基底；
图2为实施例1制备所得的凝结表面的扫描电子显微镜(SEM)图；
图3为实施例1制备所得的凝结表面上水滴接触角光学图；
图4为实施例1制备所得的凝结表面上水滴滑动角光学图；
图5为实施例1制备所得的水平放置凝结表面上冷凝液滴自发快速迁移的红外热像图；
图6为实施例2制备所得的水平放置凝结表面上冷凝液滴自发快速迁移的红外热像图；
图7为实施例3制备所得的水平放置凝结表面上冷凝液滴自发快速迁移的红外热像图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，具体步骤如下：
步骤(1)：配置溶度为1.5mol/L的氢氧化钠(NaOH)溶液和0.1mol/L过硫酸铵((NH4)2S2O8)溶液混合，用磁力搅拌器搅拌10分钟使混合均匀后备用；
步骤(2)：将机械抛光后的铜质基底表面浸泡在无水乙醇中去除表面的油渍后，干燥备用；
步骤(3)：将步骤(2)所得表面浸泡在质量分数为36w％的盐酸(HCl)溶液中去除表面氧化层，浸泡1分钟后用去离子水洗去表面残留的盐酸溶液；
步骤(4)：将步骤(3)所得表面浸泡在步骤(1)所得混合液中，反应15分钟后用去离子水洗去表面残留的溶液，并置于200℃环境中烘烤1小时；
步骤(5)：配置质量分数为3.3w％的聚四氟乙烯(PTFE,颗粒直径21μm)颗粒分散液，再将步骤(4)所得表面浸入分散液中15s后去除表面多余分散液并置于280℃的环境中烘烤1小时；
步骤(6)：将步骤(5)所得烘干的表面浸入10cSt硅油中，使其完全浸湿后去除表面多余硅油即可获得一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面。
本实施例制备的凝结表面的扫描电子显微镜(SEM)图如图2所示，凝结表面形成微/纳米多孔结构且PTFE颗粒随机地附着在微/纳米线上，将润滑液灌注入空隙中即可获得一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面。
本实施例制备的凝结表面的水滴接触角光学图如图3所示，左右接触角平均值为99°，且水滴可以顺畅的在表面滑动，滑动角约为2.35°(图4)。
本实施例制备的凝结表面上冷凝液滴“智能”自动快速迁移现象如图5所示，大的冷凝液滴向低温区域迁移并吞并小液滴，直径1mm的冷凝液滴迁移速度可达0.27mm/s。
实施例2：一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，具体步骤如下：
步骤(1)：配置溶度为0.25mol/L的氢氧化钠(NaOH)溶液和0.05mol/L过硫酸铵((NH4)2S2O8)溶液混合，用磁力搅拌器搅拌10分钟使混合均匀后备用；
步骤(2)：将机械抛光后的铜质基底表面浸泡在丙酮中去除表面的油渍后，干燥备用；
步骤(3)：将步骤(2)所得表面浸泡在质量分数为36w％的盐酸(HCl)溶液中去除表面氧化层，浸泡1分钟后用去离子水洗去表面残留的盐酸溶液；
步骤(4)：将步骤(3)所得表面浸泡在步骤(1)所得混合液中，反应15分钟后用去离子水洗去表面残留的溶液，并置于200℃环境中烘烤1小时；
步骤(5)：配置质量分数为0.1w％的聚四氟乙烯(PTFE,颗粒直径21μm)颗粒分散液，再将步骤(4)所得表面浸入分散液中15s后去除表面多余分散液并置于280℃的环境中烘烤1小时；
步骤(6)：将步骤(5)所得烘干的表面浸入脂类润滑油中，使其完全浸湿后去除表面多余脂类润滑油即可获得一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面。
本实施例制备的凝结表面上冷凝液滴“智能”自动快速迁移现象如图6所示，大的冷凝液滴向低温区域迁移并吞并小液滴。
实施例3：一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，具体步骤如下：
步骤(1)：配置溶度为7mol/L的氢氧化钠(NaOH)溶液和1.5mol/L过硫酸铵((NH4)2S2O8)溶液混合，用磁力搅拌器搅拌10分钟使混合均匀后备用；
步骤(2)：将机械抛光后的铜质基底表面浸泡在无水乙醇或丙酮中去除表面的油渍后，干燥备用；
步骤(3)：将步骤(2)所得表面浸泡在质量分数为25w％的硫酸溶液中去除表面氧化层，浸泡1分钟后用去离子水洗去表面残留的硫酸溶液；
步骤(4)：将步骤(3)所得表面浸泡在步骤(1)所得混合液中，反应15分钟后用去离子水洗去表面残留的溶液，并置于200℃环境中烘烤1小时；
步骤(5)：配置质量分数为8w％的聚四氟乙烯(PTFE,颗粒直径21μm)颗粒分散液，再将步骤(4)所得表面浸入分散液中15s后去除表面多余分散液并置于280℃的环境中烘烤1小时；
步骤(6)：将步骤(5)所得烘干的表面浸入硅油中，使其完全浸湿后去除表面多余的硅油即可获得一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面。
本实施例制备的凝结表面上冷凝液滴“智能”自动快速迁移现象如图7所示，大的冷凝液滴向低温区域迁移并吞并小液滴。

Claims (6)

1.一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，其特征在于,所述方法包括：
先使用有机溶剂去除铜质基底上的油污，再浸入酸溶液中去除表面氧化层；接着将表面浸入反应液中反应一段时间后置于高温环境烘烤使表面产生微/纳米多孔结构；再将其浸入聚四氟乙烯（PTFE）颗粒分散液一段时间后去除表面多余分散液并置于高温环境中烘烤；最后，将上述获得的干燥表面浸入润滑液中，使其完全浸润后去除表面多余润滑液即可获得所述具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面。
2.根据权利要求1所述一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂包括无水乙醇或丙酮。
3.根据权利要求1所述一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，其特征在于：所述酸溶液包括盐酸、硫酸的水溶液。
4.根据权利要求1所述一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，其特征在于：所述反应液为浓度为0.25mol/L~7mol/L氢氧化钠（NaOH）溶液和0.05mol/L~1.5mol/L过硫酸铵（(NH4)2S2O8）溶液按照体积比1：1均匀混合的混合液。
5.根据权利要求1所述一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，其特征在于：所述聚四氟乙烯（PTFE）颗粒分散液的PTFE颗粒的质量分数为0.1wt.%~8wt.%。
6.根据权利要求1所述一种具有“智能”自驱特性的珠状凝结表面的制备方法，其特征在于：所述润滑液为硅油润滑油或脂类润滑油。
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