CN111362591A - 一种使冷凝液滴在水平方向自发驱离的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使冷凝液滴在水平方向自发驱离的方法,该方法包括以下步骤:将玻璃片置于火焰上熏烤,然后分别将玻璃片、原硅酸四乙酯和氨水溶液置于干燥容器中,抽真空后静置20‑26h;然后将玻璃片在500‑600℃条件下退火1.5‑3h;利用O2等离子体处理退火后的玻璃片,得基底层,再分别将基底层和全氟辛基三氯硅烷置于干燥容器中,抽真空后静置1‑3h;最后,利用8‑12KV高压电源通过电晕极化的方法对上述基底层注入梯度电场,将带有梯度电场的基底层水平放入冷凝环境中,即可实现驱离冷凝液滴的效果。该方法可有效解决现有的驱离方法存在的冷凝液滴驱离效果差的问题。

Description

一种使冷凝液滴在水平方向自发驱离的方法
技术领域
本发明涉及增强冷凝传热的技术领域,具体涉及一种使冷凝液滴在水平方向自发驱离的方法。
背景技术
冷凝是自然界,日常生活以及工业生产中十分常见的一个现象。清晨凝结在植物上的露珠,冬天时室内窗户玻璃上产生的冷凝液滴以及各种冷凝器表面覆盖的水膜都是由于冷凝现象造成的。冷凝液滴的冷凝方式有两种,在亲水表面上的膜状冷凝和在疏水表面上的滴状冷凝,滴状冷凝的散热效率远大于膜状冷凝的十倍不止,同时,由于冷凝液滴在疏水表面粘滞力小,因此更易除去,使滴状冷凝能够持续进行,因此在工业中滴状冷凝使冷凝传热的重要途经。
去除冷凝液滴的常用方法有:重力驱离、电场驱离、表面能梯度驱离、超疏水表面的液滴自弹跳以及它们之间的相互结合。利用这些方法对滴状冷凝效率有很大的提高,但是仍然存在一些问题。例如,利用重力和表面能梯度的液滴驱离需等到冷凝液滴长大到临界驱离尺寸(≈2mm),在此期间,液滴仍然滞留在冷凝基底表面产生热阻,降低换热效率,同时,依靠重力作为驱离外力,对冷凝基底的放置有一定要求;超疏水表面的液滴自弹跳行为使液滴脱离尺寸降到一个较小的维度(10-100μm),但是液滴由于蒸汽夹带和重力作用仍会回落到基底表面,合并其他冷凝液滴,最终由于液滴太大停留在冷凝基底上。此外,冷凝液滴在合并弹跳时会带上净正电荷,从而可以利用外加电场来使发生弹跳的液滴离开冷凝基底表面,但液滴合并弹跳存在一定概率,并非每次合并都会产生弹跳行为,这也是依靠液滴弹跳驱离方式效率不高的原因之一。因此,降低冷凝液滴的脱离尺寸,提高冷凝液滴在单位时间内驱离的数量,对于工业中冷凝散热、去雾降温以及干旱地区的水收集都具有重大意义。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供了一种使冷凝液滴在水平方向自发驱离的方法,该方法可有效解决目前存在的液滴驱离效果差的问题。
为实现上述目的,本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种使冷凝液滴在水平方向自发驱离的方法,包括以下步骤:
(1)将玻璃片置于火焰上熏烤,然后分别将玻璃片、原硅酸四乙酯和氨水溶液置于干燥容器中,抽真空后静置20-26h;
(2)将步骤(1)中处理后的玻璃片在500-600℃条件下退火1.5-3h;
(3)利用O2等离子体处理步骤(2)中退火后的玻璃片,然后分别将玻璃片和全氟辛基三氯硅烷置于干燥容器中,抽真空后静置1-3h,得基底层;
(5)对步骤(3)中的基底层采用电晕极化的方法注入梯度电场,然后将基底层水平放入冷凝环境中即可实现冷凝液滴的驱离。
进一步地,步骤(1)中玻璃片在火焰上的熏烤时间为20-40s。
进一步地,步骤(1)中玻璃片在火焰上的熏烤时间为30s。
进一步地,步骤(1)中每100mm2玻璃片对应的原硅酸四乙酯和氨水溶液的使用量均为2-4ml。
进一步地,步骤(1)中每100mm2玻璃片对应的原硅酸四乙酯和氨水溶液的使用量均为3ml。
进一步地,步骤(1)中抽真空后静置时间为24h。
进一步地,步骤(2)中的退火温度为500℃,退火时间为2h。
进一步地,步骤(3)中利用O2等离子体对玻璃片的处理时间为8-12min。
进一步地,步骤(3)中利用O2等离子体对玻璃片的处理时间为10min。
进一步地,步骤(3)中对玻璃片进行处理的O2占比为70-80%,其余气体为Ar。
进一步地,步骤(3)中每100mm2玻璃片对应的全氟辛基三氯硅烷的体积为70-80μl,静置时间为2h。
进一步地,步骤(3)中每100mm2玻璃片对应的全氟辛基三氯硅烷的体积为74μl。
进一步地,步骤(4)中注入梯度电场时的充电电压为8-12kV,充电时间为
1-3min。
进一步地,步骤(4)中注入梯度电场时的充电电压为10kV,充电时间为
1.5min。
进一步地,步骤(4)中冷凝环境的温度为室温,湿度为80-90%。
采取上述方案所产生的有益效果为:
本发明中通过在玻璃片表面沉积碳纳米颗粒作为粗糙结构的模板,然后在碳纳米颗粒表面生长一层二氧化硅纳米壳结构,再通过退火去除碳纳米颗粒,使得二氧化硅纳米壳与玻璃片紧密连接,并具有透明的特性,最后,通过氟化作用在二氧化硅纳米壳表面形成一层单分子层氟硅烷薄膜,用以降低基底层的表面能,从而形成超疏水基底。将处理后的玻璃片使用电晕充电法充电后,由于玻璃片是天然的驻极体材料,能够在高压电源的极化作用下储存离子和电子,因此在极化作用完成后相当长一段时间能够向外界辐射出稳定的电场,并且在极化过程中不添加金属筛网时电荷会在极化基底上形成钟罩型分布,也就是基底中心的电荷密度最高,由中心向四周逐渐降低,形成电荷密度梯度。超疏水基底层上的液滴具有很小的粘滞力,并且超疏水基底层能够在一定程度上阻挡冷凝过程中高湿度对电荷耗散的影响。当水汽在玻璃片表面冷凝形成水滴,开始合并生长,液滴在合并过程中,在超疏水基层上会发生固-液界面分离,携带一定的电荷量(电荷量总量为正),当生长到一定尺寸,液滴所带电量与基底电场相互作用克服液滴与基底的粘附力,带电液滴则会从玻璃片的中间位置(电荷密度高,排斥力强)向四周(电荷密度低,排斥力弱)开始快速移动,同时在移动过程中包裹沿途上的冷凝液滴,一次驱离后基底上会暴露出很多新的冷凝液滴成核位点,使冷凝过程持续进行,实现高效增强冷凝效率的作用。
本发明中的基底层对冷凝液滴的驱离速度可达0.8m/s,驱离频次可达到50次/min,极快的驱离速度和高频率的驱离次数使冷凝效率大大提高,而且,液体在该基底层上冷凝后,直径约为30μm时,便可迅速被驱离,本发明中的方法可提高冷凝传热,可在干旱地区应用该方法进行集水,提高集水量。
具体实施方式
实施例1
一种使冷凝液滴在水平方向自发驱离的方法,包括以下步骤:
(1)将面积为27*5mm的玻璃片置于蜡烛火焰上熏烤30s,然后分别将玻璃片、4ml原硅酸四乙酯和4ml氨水溶液置于干燥容器中,抽真空后静置20h;
(2)将步骤(1)中处理后的玻璃片在500℃条件下退火1.5h;
(3)利用O2等离子体处理步骤(2)中退火后的玻璃片,处理时间为10min,其中,O2占比为70%,剩余为Ar,然后分别将玻璃片和100μl全氟辛基三氯硅烷置于干燥容器中,抽真空后静置1h,得基底层;
(4)对步骤(3)中的基底层在8kV电压条件下充电1min,使基底层内注入梯度电场,然后将基底层水平放入冷凝环境中,即可实现驱离冷凝液滴的效果。
实施例2
一种使冷凝液滴在水平方向自发驱离的方法,包括以下步骤:
(1)将面积为27*5mm的玻璃片置于蜡烛火焰上熏烤30s,然后分别将玻璃片、4ml原硅酸四乙酯和4ml氨水溶液置于干燥容器中,抽真空后静置26h;
(2)将步骤(1)中处理后的玻璃片在600℃条件下退火3h;
(3)利用O2等离子体处理步骤(2)中退火后的玻璃片,处理时间为10min,其中,O2占比为80%,剩余为Ar,然后分别将玻璃片和100μl全氟辛基三氯硅烷置于干燥容器中,抽真空后静置3h,得基底层;
(4)对步骤(3)中的基底层在12kV电压条件下充电3min,使基底层内注入梯度电场,然后将基底层水平放入冷凝环境中,即可实现驱离冷凝液滴的效果。
实施例3
一种使冷凝液滴在水平方向自发驱离的方法,包括以下步骤:
(1)将面积为27*5mm的玻璃片置于蜡烛火焰上熏烤30s,然后分别将玻璃片、4ml原硅酸四乙酯和4ml氨水溶液置于干燥容器中,抽真空后静置24h;
(2)将步骤(1)中处理后的玻璃片在550℃条件下退火2h;
(3)利用O2等离子体处理步骤(2)中退火后的玻璃片,处理时间为10min,其中,O2占比为75%,剩余为Ar,然后分别将玻璃片和100μl全氟辛基三氯硅烷置于干燥容器中,抽真空后静置2h,得基底层;
(4)对步骤(3)中的基底层在10kV电压条件下充电1.5min,使基底层内注入梯度电场,然后将基底层水平放入冷凝环境中,即可实现驱离冷凝液滴的效果。
实验例
1、在一个密闭的腔室中,分别于三种冷凝环境中进行冷凝,环境一:温度25℃,湿度90%,冷台温度1℃,基底温度4℃,环境二:温度10℃,湿度100%,冷台温度1℃,基底温度4℃;环境三:温度50℃,湿度40%,冷台温度1℃,基底温度4℃,在以上三种环境下将现有的纳米针微阵列超疏水表面基底层竖直放置,利用重力驱离液滴,将现有的全氟辛基三氯硅烷修饰的具有表面能梯度的疏水硅基底水平放置,利用表面能梯度驱离液滴,同时按照实施例1-3中的方法,利用梯度电场驱离液滴,分别实验30min,每隔10分钟统计基底表面覆盖率,具体结果见表1-3。
表1:在环境一中表面覆盖率表
Figure BDA0002417432530000061
表2:在环境二中表面覆盖率表
Figure BDA0002417432530000062
表3:在环境三中表面覆盖率表
Figure BDA0002417432530000071
通过表1-3中数据得知,实施例1-3中驱离方法对于冷凝液滴的驱离效果均好于现有技术中的驱离方法,尤其是在环境一中的条件下,实施例1-3中的驱离方法的驱离效果最好。

Claims (10)

1.一种使冷凝液滴在水平方向自发驱离的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将玻璃片置于火焰上熏烤,然后分别将玻璃片、原硅酸四乙酯和氨水溶液置于干燥容器中,抽真空后静置20-26h;
(2)将步骤(1)中处理后的玻璃片在500-600℃条件下退火1.5-3h;
(3)利用O2等离子体处理步骤(2)中退火后的玻璃片,然后分别将玻璃片和全氟辛基三氯硅烷置于干燥容器中,抽真空后静置1-3h,得基底层;
(4)对步骤(3)中的基底层采用电晕极化的方法注入梯度电场,然后将基底层水平放入冷凝环境中即可实现冷凝液滴的驱离。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中玻璃片在火焰上的熏烤时间为20-40s。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中每100mm2玻璃片对应的原硅酸四乙酯和氨水溶液的使用量均为2-4ml。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中抽真空后静置时间为24h。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)中的退火温度为500℃,退火时间为2h。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(3)中利用O2等离子体对玻璃片的处理时间为8-12min。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(3)中对玻璃片进行处理的O2占比为70-80%,其余气体为Ar。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(3)中每100mm2玻璃片对应的全氟辛基三氯硅烷的体积为70-80μl,静置时间为2h。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(4)中注入梯度电场时的充电电压为8-12kV,充电时间为1-3min。
10.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(4)中冷凝环境的温度为室温,湿度为80-100%。
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