CN112221916B - 基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置 - Google Patents

基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，利用超疏水涂层、亲水性基体材料、供电电源和电解电极或加热元件等，通过电解水反应、壁面加热等方式对近壁面水中气体饱和度进行调控使水体达到气体饱和甚至过饱和状态，并利用超疏水和亲水表面交替排列束缚气膜的三相接触线，其中电解电极或加热元件等位于表面光滑亲水区域，而超疏水区域则不需要包含特殊的功能性元件；超疏水表面微结构内会自动封存气膜，过饱和状态下溶解的气体会自发向气膜内扩散，因而将不会有游离的气泡在光滑亲水区域上或水体中析出，从而克服了浮力和表面张力等对补气效果的影响。

Description

基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置
技术领域
本发明涉及一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，特别涉及一种浸没水下的超疏水表面气膜持久维持和形态调控装置，属于减阻技术领域。
背景技术
超疏水表面被定义为在该表面上液滴的静态接触角大于150°而滚动角小于10°的表面，近年来人们发现超疏水表面在水下具有优异的减阻性能。超疏水表面减阻作用的根本原因在于其表面分布的微纳米粗糙结构在水下能够束缚一层气膜，将传统的固液接触界面替换成固气液复合接触界面，液体在气液界面上产生速度滑移从而降低了表面的摩擦阻力。然而在实际的工程应用中，超疏水表面的气膜并不稳定，在高速水流冲刷和水压的作用下气膜会快速流失，即使在低速和静止条件下气膜中的气体还会自发向水中溶解，气膜流失直接导致超疏水表面失去减阻和防污效果。
超疏水表面的水下气膜流失问题限制了其实际应用，针对这一问题人们提出了多种解决方案。发明专利“一种提高水下锁气泡能力的工程表面及其制备方法(CN201810384589.8)”和发明专利“基于润湿性调控的气膜减阻模型及其制作方法(CN201510579215.8)”都提出对超疏水表面进行局部亲水修饰，构造出的超疏水-亲水表面结构能够有效束缚气膜的三相接触线，进而实现比普通超疏水表面更强的气膜束缚能力，通过表面通气还可以进一步控制气液界面的形态，然而这些方法无法克服气膜溶解和流失破坏的问题；发明专利“用于恢复和维持液体之下的超疏水性的方法和装置(CN201180046655.7)”和“一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型(CN201611112056.1)”提出利用电解水产气的方法长时间维持超疏水气膜稳定，在气膜流失破坏之后能够自动补充和恢复，克服了气膜不能长时间稳定维持的问题，但是这两项专利均涉及到加工精度要求极高的微纳米加工技术，超疏水表面的微结构必须满足特定的要求，否则在浮力和表面张力的作用下电解产生的气泡会脱离表面，造成气体损失和气膜恢复失败；其中还用到包括微纳米电极和铂金电极等高成本材料，因而不适合大规模的工程应用；此外这两项发明因为气膜恢复过程中会自动切断通电回路，所以气膜形态相对固定，而缺乏对气膜形态进行精确有效的调控。研究表明不同的气膜形态对减阻效果具有显著影响，因此在维持超疏水表面气膜长时间稳定的基础上，还需要对气膜的形态进行更加精确的调控以获得最佳的减阻效果。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提出一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，实现超疏水表面气膜长时间稳定维持并对气膜形态进行精确调控。
本发明实现上述目标所采用的基本原理是：
水下环境中的气体饱和度定义为s＝c1/c0，其中c0为气体在水中的饱和浓度，其大小与环境温度和压强等有关，c1为实际水下的气体浓度；水下超疏水表面气膜层溶解的根本原因在于，真实环境下水体环境往往处于气体不饱和状态(s<1)，因而气膜层中的气体会自发向水中扩散溶解；如果能够提高超疏水表面附近水体中的气体浓度达到饱和状态(s＝1)，则气膜溶解就会受到抑制；如果水体内的气体浓度达到过饱和状态(s>1)，则气体将自发向气膜内扩散析出，从而改变气膜形态。理论上当水下气体浓度过饱和到一定程度之后，气体将以气泡的形式析出，该过程首先需要生成微小的气核，而气核更倾向于在粗糙固体表面上的瑕点位置产生。但实际中微小气核的生成需要很大的过饱和度因而新气泡的生成的难度较大，气体会更倾向于向已有的气泡内扩散。
根据上述原理，本发明利用超疏水涂层、亲水性基体材料、供电电源和电解电极或加热元件等，通过电解水反应、壁面加热等方式对近壁面水中气体饱和度进行调控使水体达到气体饱和甚至过饱和状态，并利用超疏水和亲水表面交替排列束缚气膜的三相接触线，其中电解电极或加热元件等位于表面光滑亲水区域，而超疏水区域则不需要包含特殊的功能性元件；根据上述原理超疏水表面微结构内会自动封存气膜，过饱和状态下溶解的气体会自发向气膜内扩散，因而将不会有游离的气泡在光滑亲水区域上或水体中析出，从而克服了浮力和表面张力等对补气效果的影响。
进一步的，通过控制电解反应、调控壁面温度等条件可以对壁面水中的气体饱和度进行调控，使超疏水表面封存气膜内的气体溶解或者析出，进而对气膜形态进行精确调控。具体的，通过控制壁面气体饱和度达到饱和状态，即s＝1时，超疏水表面气膜内气体溶解和析出达到平衡，此时气膜将长时间维持一定的形态；当气体饱和度达到过饱和状态，即s>1时，水中气体将自发向气膜内扩散，使超疏水表面气膜体积增大，进而改变气膜形态。
基于上述分析，本发明的技术方案为：
所述一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，包括基体和控制装置；
所述基体上具有超疏水区域与亲水区域交替分布的表面；所述控制装置能够通过控制基体表面的亲水区域，实现使基体表面近壁面水中的气体饱和度达到过饱和状态，并利用超疏水区域和亲水区域交替分布束缚气膜的三相接触线，使超疏水区域表面封存气膜，过饱和状态下气体自发向气膜内扩散；而且所述控制装置能够通过控制基体表面亲水区域，调控基体表面近壁面水中的气体饱和度，使超疏水区域表面封存气膜内的气体溶解或者析出，进而对气膜形态进行精确调控。
进一步的，所述控制装置能够通过控制基体表面亲水区域，调控基体表面近壁面水中的气体饱和度，当基体表面近壁面水中的气体饱和度达到饱和状态时，超疏水区域表面气膜内的气体溶解和析出达到平衡，气膜维持形态，当基体表面近壁面水中的气体饱和度达到过饱和状态时，水中气体自发向气膜内扩散，使气膜体积增大，进而改变气膜形态。
进一步的，所述控制装置能够通过控制基体表面的亲水区域进行产气化学反应，改变基体表面近壁面水中的气体饱和度。
进一步的，所述基体采用电极材料，所述控制装置包括直流电源；直流电源与基体相连，并能够在基体表面亲水区域进行电解水反应产生气体；通过控制电解电流和电解时间能够控制基体超疏水区域表面封存气膜的体积。
进一步的，多块采用电极材料的基体分别与直流电源的正负极相连，与直流电源正极相连的基体同与直流电源负极相连的基体交替排布且中间以绝缘条带间隔。
进一步的，采用电极材料的基体通过以下过程得到：
首先采用电极材料作为基体材料，并将基体表面打磨光滑，清洗干燥后，得到壁面光滑且具有亲水性的基体，水滴的静态接触角小于30度；
其次按照设定的基体表面亲水区域分布，在基体表面布置掩膜；
之后对基体表面通过化学腐蚀、气相沉积或喷涂超疏水材料方式，在基体表面形成超疏水区域，所述超疏水区域表面干燥后，水滴在该表面的静态接触角大于150°而滚动角小于10°；
最后去除掩膜，得到具有超疏水区域与亲水区域交替分布表面的电极基体。
进一步的，所述控制装置能够通过控制基体表面的亲水区域进行壁面加热，改变基体表面近壁面水中的气体饱和度。
进一步的，所述基体表面的亲水区域内埋设有加热电阻，所述控制装置包括供电电源；所述供电电源与所述加热电阻相连，通过控制通电电压调控基体表面近壁面温度，进而改变基体表面近壁面水中的气体饱和度，实现对基体超疏水区域表面气膜进行调控。
进一步的，上述基体通过以下过程得到：
首先采用PVC材料作为基体材料，并将基体表面打磨光滑，且按照设定的基体表面亲水区域分布在基体表面加工沟槽；将基体清洗干燥后，使基体表面清洁，能够形成超疏水表面；
其次在沟槽内排布加热电阻，并向沟槽中浇筑亲水性环氧树脂和固化剂，使沟槽表面和PVC基体表面平齐；将基体放置于真空箱中静置设定时间以排除气体，在放置在干燥箱中使树脂固化，树脂区域表面亲水光滑且具有小于30°的接触角；并在树脂区域布置掩膜；
之后对基体表面通过化学腐蚀、气相沉积或喷涂超疏水材料方式，在基体表面形成超疏水区域，所述超疏水区域表面干燥后，水滴在该表面的静态接触角大于150°而滚动角小于10°；
最后去除掩膜，得到具有超疏水区域与亲水区域交替分布表面的基体。
有益效果
本发明和现有技术相比具有如下优点：
(1)通过控制超疏水表面附近水体中的气体饱和度，克服了超疏水表面气膜的溶解问题，实现超疏水表面气膜层长时间稳定维持。
(2)在实现超疏水表面气膜持久稳定维持的基础上，能够进一步地对气膜形态进行精确调控，从而获得最佳的减阻效果。
(3)本发明制作简单，制作成本较低，操作方便，不依赖于特殊微纳米制造技术和材料，而且不会在亲水性表面或水体中生成游离气泡，克服了重力、浮力和表面张力等造成的气泡脱离和损失。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1a为平板模型润湿性分布示意图
图1b为超疏水区域气膜形态变化示意图
图2为本发明利用电解产气方法的原理示意图
图3为本发明利用壁面加热方法的原理示意图
图中标记名称：1、超疏水涂层；2、亲水性基体；3、气膜表面；4、电极阴极；5、导线；6、供电电源；7、加热电阻；8、电极阳极；9、绝缘条带
图注：图1b中箭头代表气膜界面演化方向，向上的箭头代表气体析出，气膜体积增加，向下箭头代表气体溶解，气膜体积减小；图2中箭头代表电路中电子的运动方向。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
利用电解产气原理调节近壁面气体饱和度的超疏水表面气膜形态维持和调控装置及实现方法：
(1)准备基体材料：以尺寸50×50mm石墨平板电极作为基体材料，将石墨平板表面打磨光滑，将基体材料先后放在丙酮、无水乙醇和纯净水中超声清洗30分钟，然后放在恒温干燥箱中以120℃烘干30分钟，保证电极壁面光滑且具有明显的亲水性，水滴的静态接触角小于30度。
(2)制作掩膜版，在电极表面上粘贴宽度为1mm的低粘度防水胶带，相邻平行胶带之间间距5mm，胶带沿水平方向和竖直方向交替排布成网格状，直到布满整个固体表面。
(3)在整个表面上均匀喷涂超疏水材料，保证超疏水涂层喷涂均匀，确保涂层干燥后水滴在该表面的静态接触角大于150°而滚动角小于10°。
(4)在不破坏其他区域超疏水涂层的基础上，去除防水胶带掩膜，形成棋盘状亲疏水相间结构，其中亲水区域为光滑导电基体，而超疏水区域具有绝缘性；电极表面上超疏水区域和亲水区域分布如图1a所示。
(5)将制作完成的多块具有亲疏水相间结构的平板电极分别与直流电源的正负极相连，阴阳电极板之间交替排列且中间以绝缘条带间隔，将模型浸入水中构成闭合电解回路，其结构如图2所示。通电后通过控制电流和电解时间直接控制电极表面的气体浓度，进而维持超疏水表面气膜长时间稳定驻留和气膜形态调控，超疏水区域气膜形态变化情况如图1b所示。
具体的，在上述电解产气过程中，在亲疏水相间的阴极电极表面发生析氢反应，根据电化学方程和法拉第定理，单位时间的氢气产量为n＝I/(2F)，单位为mol，I为电解电流，F为法拉第常数，可根据该公式计算电极表面气体浓度随时间的变化关系；进一步的，可以获得单个超疏水区域上束缚气膜的体积V＝(ItRT)/(2FPN)，其中I为电解电流，t为通电时间，T为环境温度，R和F分别为气体常数和法拉第常数，P为环境压强，N为电极表面上超疏水区域的数目，由于超疏水区域上气膜呈弧形(如图1b)，所以定义气膜平均厚度h＝V/S，其中S为单个超疏水区域的面积，根据以上原理可以通过控制电解电流和电解时间对气膜形态和平均厚度进行精确调控。同时在电解过程中阳极上发生析氧反应，故表面的气膜形态可以采用相同的原理进行计算和调控。
实施例2：利用壁面加热调节气体饱和度的超疏水表面气膜形态维持和调控装置及实现方法：
(1)准备基体材料，以尺寸50×50mm的PVC板作为基体材料，将平板表面打磨光滑，在表面上加工宽度1mm、深度1mm的棋盘状沟槽阵列，平行沟槽之间间距5mm，结构如图3所示。将材料先后放在丙酮、无水乙醇和纯净水中超声清洗30分钟，之后放在恒温干燥箱中以80℃烘干60分钟，保证表面清洁能够使超疏水涂层粘附。
(2)在沟槽内排布热电阻丝，然后向沟槽中浇筑亲水性环氧树脂和固化剂，使沟槽表面和PVC平板表面平齐；将模型放置于真空箱中静置30分钟以排出气体，再放置在恒温干燥箱中以80℃烘干120分钟使树脂完全固化，保证树脂区域亲水光滑且具有小于30°的接触角。
(3)制作掩膜版，在沟槽位置上粘贴宽度为1mm的低粘度防水胶带，相邻平行胶带之间间距5mm，胶带沿水平方向和竖直方向交替排布成网格状，直到布满整个固体表面。
(4)在整个表面上均匀喷涂超疏水材料，保证超疏水涂层喷涂均匀，干燥后水滴在该表面的静态接触角大于150°和滚动角小于10°。
(5)在不破坏其他区域超疏水涂层的基础上，去除防水胶带掩膜，形成棋盘状亲疏水相间结构，其中亲水区域为亲水性光滑表面，其下埋有热电阻丝；模型表面上超疏水区域和亲水区域分布如图1a所示。
(6)将制作完成的具有亲疏水相间结构的平板置于水中，将电阻丝接通供电电源，结构如图3所示。通电后通过控制通电电压控制近壁面温度，使近壁面水体中气体饱和度增加进而维持超疏水表面气膜长时间稳定驻留和气膜形态调控。
具体的，在该应用实例中，水体中的气体浓度c1保持不变，但水下气体的饱和溶解度与温度呈负相关，即温度升高c0下降，根据公式s＝c1/c0，水体的气体饱和度上升，达到气体过饱和后(s>1)气体自发向超疏水表面气膜内扩散，直到水体中的气体浓度达到饱和状态，气膜形态维持在平衡状态；在上述过程中单个超疏水区域气体的体积为V＝S*H*ρ*(c1-c0)/N，其中S为整个平板模型的面积，H为平板表面热边界层的厚度，ρ为空气的平均密度，c0与加热温度存在固定的对应关系，N为模型表面上超疏水区域的数目；定义气膜平均厚度h＝V/s，其中s为单个超疏水区域的面积，根据上述关系即可获得气膜平均厚度和加热温度的关系，进而对气液界面形态进行精确控制；值得说明的是，本应用实例中壁面加热的最高温度小于100℃，因而不会达到表面液体沸腾或发生莱顿弗罗斯特效应，从而大大减小了额外的能源消耗。
应当说明的是，在上述实施例中，所产生的气膜及所用超疏水表面同样具有一定的防污和防腐蚀作用，并同时适用于淡水和海水环境。除上述实例外，在本发明原理的基础上，通过其他本领域技术人员所知的产气化学反应等手段改变水下气体饱和度，通过其他本领域技术人员所知的方法如化学腐蚀、气相沉积和喷涂其他超疏水材料等获得的超疏水表面，使用其他本领域技术人员所知的金属或导电非金属材料作为电解电极或其他本领域技术人员所知的壁面加热方法，构造其他形貌结构的超疏水亲水区域交替分布表面，这些改进或变化都应当属于本发明所附权利要求的保护范围。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，其特征在于：包括基体和控制装置；
所述基体上具有超疏水区域与亲水区域交替分布的表面；所述控制装置能够通过控制基体表面的亲水区域，实现使基体表面近壁面水中的气体饱和度达到过饱和状态，并利用超疏水区域和亲水区域交替分布束缚气膜的三相接触线，使超疏水区域表面封存气膜，过饱和状态下气体自发向气膜内扩散；而且所述控制装置能够通过控制基体表面亲水区域，调控基体表面近壁面水中的气体饱和度，使超疏水区域表面封存气膜内的气体溶解或者析出，进而对气膜形态进行精确调控；
所述控制装置能够通过控制基体表面的亲水区域进行壁面加热，改变基体表面近壁面水中的气体饱和度；
所述基体表面的亲水区域内埋设有加热电阻，所述控制装置包括供电电源；所述供电电源与所述加热电阻相连，通过控制通电电压调控基体表面近壁面温度，进而改变基体表面近壁面水中的气体饱和度，实现对基体超疏水区域表面气膜进行调控；
当基体表面近壁面水中的气体饱和度达到饱和状态时，超疏水区域表面气膜内的气体溶解和析出达到平衡，气膜维持形态，当基体表面近壁面水中的气体饱和度达到过饱和状态时，水中气体自发向气膜内扩散，使气膜体积增大，进而改变气膜形态；
所述控制装置能够通过控制基体表面的亲水区域进行产气化学反应，改变基体表面近壁面水中的气体饱和度。
2.根据权利要求1所述一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，其特征在于：所述基体采用电极材料，所述控制装置包括直流电源；直流电源与基体相连，并能够在基体表面亲水区域进行电解水反应产生气体；通过控制电解电流和电解时间能够控制基体超疏水区域表面封存气膜的体积。
3.根据权利要求2所述一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，其特征在于：多块采用电极材料的基体分别与直流电源的正负极相连，与直流电源正极相连的基体同与直流电源负极相连的基体交替排布且中间以绝缘条带间隔。
4.根据权利要求2所述一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，其特征在于：采用电极材料的基体通过以下过程得到：
首先采用电极材料作为基体材料，并将基体表面打磨光滑，清洗干燥后，得到壁面光滑且具有亲水性的基体，水滴的静态接触角小于30度；
其次按照设定的基体表面亲水区域分布，在基体表面布置掩膜；
之后对基体表面通过化学腐蚀、气相沉积或喷涂超疏水材料方式，在基体表面形成超疏水区域，所述超疏水区域表面干燥后，水滴在该表面的静态接触角大于150°而滚动角小于10°；
最后去除掩膜，得到具有超疏水区域与亲水区域交替分布表面的电极基体。
5.根据权利要求1所述一种基于近壁面气体饱和度调节的超疏水表面气膜调控装置，其特征在于：所述基体通过以下过程得到：
首先采用PVC材料作为基体材料，并将基体表面打磨光滑，且按照设定的基体表面亲水区域分布在基体表面加工沟槽；将基体清洗干燥后，使基体表面清洁，能够形成超疏水表面；
其次在沟槽内排布加热电阻，并向沟槽中浇筑亲水性环氧树脂和固化剂，使沟槽表面和PVC基体表面平齐；将基体放置于真空箱中静置设定时间以排除气体，再放置在干燥箱中使树脂固化，树脂区域表面亲水光滑且具有小于30°的接触角；并在树脂区域布置掩膜；
之后对基体表面通过化学腐蚀、气相沉积或喷涂超疏水材料方式，在基体表面形成超疏水区域，所述超疏水区域表面干燥后，水滴在该表面的静态接触角大于150°而滚动角小于10°；
最后去除掩膜，得到具有超疏水区域与亲水区域交替分布表面的基体。
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