RU2805728C1 - Способ формирования супергидрофобной структуры поверхности - Google Patents
Способ формирования супергидрофобной структуры поверхности Download PDFInfo
- Publication number
- RU2805728C1 RU2805728C1 RU2023105321A RU2023105321A RU2805728C1 RU 2805728 C1 RU2805728 C1 RU 2805728C1 RU 2023105321 A RU2023105321 A RU 2023105321A RU 2023105321 A RU2023105321 A RU 2023105321A RU 2805728 C1 RU2805728 C1 RU 2805728C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat transfer
- cleaned
- microstructure
- superhydrophobic
- acetone
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к способам гидрофобизации и изменения смачивания поверхности, и может быть использовано для интенсификации теплоотдачи при конденсации водяного пара. Для формирования супергидрофобной структуры поверхности на поверхности теплообмена создают шероховатую текстуру. Формируют микрорельеф, обрабатывая поверхность потоком абразивных частиц со скоростью v не менее 50 м/с. Поверхность очищают промыванием в растворе щелочи, а затем в дистиллированной воде. На очищенную поверхность наносят наножидкость из наночастиц углерода размером меньше 100 нм, каучука и ацетона в пропорции по массе 1:10:1000. Обеспечивается увеличение коэффициента теплоотдачи при капельной конденсации. 4 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности, к способам гидрофобизации и изменения смачивания поверхности и может быть использовано для интенсификации теплоотдачи при конденсации водяного пара. Уровень техники
Известен способ интенсификации теплообмена (US 5814392 А, МПК B05D 5/02, C09D 7/00, F28F 13/00, F28F 13/18, В32В 015/08, C08K 003/00, опубл. 29.09.1998 г. ), согласно которому на охлаждаемую поверхность наносят смесь из клея, частиц и растворителя, при этом поверхность приобретает гидрофобные свойства.
Недостатком этого способа является неравномерный теплообмен.
Известен способ интенсификации теплообмена при кипении на гладкой поверхности (патент RU 2542253, МПК B05D 1/00), при котором для обеспечения интенсификации теплообмена при кипении на гладкой охлаждаемой поверхности образуют гидрофобную область, отличающийся тем, что на гладкой охлаждаемой поверхности образуют множество гидрофобных областей диаметра d, расположенных в шахматном порядке на расстоянии L друг от друга, причем диаметр каждой гидрофобной области d и расстояние гидрофобных областей друг от друга L определяют из свойств жидкости и охлаждаемой поверхности.
Известен способ гидрофобизации поверхности, описанный в статье (A.V. Ryzhenkov, M.R. Dasayev, O.V. Ryzhenkov, A.V. Kurshakov "On Parameters of Normalized Different-Scale Relief Created on Brass Surfaces by Means of Laser" International Journal of Applied Engineering Research Volume 12, Number 19 (2017) pp. 8824-8829 ISSN 0973-4562), согласно которому формируют микротекстуру с помощью мощного лазера, краевой угол равен 141 градус.
Недостатком способа является его сложность вследствие необходимости использования мощного лазера.
Известен способ обработки поверхностей металлов с многомодальной шероховатостью для придания им супергидрофобности и антикоррозионных свойств (патент RU 2741028, МПК O23F 15/00, 023F 17/00), согласно которому обработку поверхности проводят в парах гидрофобизатора при температуре от 60 до 150°С, при этом в качестве гидрофобизатора используют стеариновую, лауриловую кислоты, их соли с октадециламином, октадециламин и его смесь с бензотриазолом (1:1 по массе).
Технический результат данного способа направлен на повышение антикоррозионной защиты стали, меди, цинка и алюминиевых сплавов, при этом требует предварительного текстурирования поверхности с помощью лазера, представляющего собой сложный и дорогостоящий процесс.
Известен способ создания сверхгидрофобного покрытия на поверхности меди с помощью нанесения слоя графена (Daniel J., Daniela L., Nenad M, Jing K. and Evelyn N. «Scalable Graphene Coatings for Enhanced Condensation Heat Transfer» //Nano Letters 2015 15 (5), 2902-2909), согласно которому при высоком давлении в плазме и атмосфере аргона при температуре 1000°С наносят слой графена. Медь перед нанесением обрабатывали в ультразвуковой ванне, а затем растворами соляной кислоты и ацетона.
Недостатками данного способа являются технологически сложное нанесение покрытия в атмосфере аргона и высокие температуры процесса, необходимые для бомбардировки поверхности атомами графена.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ формирования комбинированной супергидрофобной структуры поверхности (патент RU 2769107, МПК С09К 3/18, B05D 3/12, B05D 5/02, B05D 5/08, С23С 16/26, С01 В 32/15, B82Y 40/00, В81С 1/00, F28F 13/04, опубл. 28.03.2022), основанный на осаждении наночастиц, отличающийся тем, что в качестве указанной поверхности используют металлическую поверхность, на которой вначале сферическими частицами продавливают микротекстуру характерным размером 70-80 мкм, затем осуществляют осаждение из газовой фазы наночастиц углерода размером от 5 до 100 нм, формируя тем самым структуру с комбинированной шероховатостью, далее полученную поверхность упрочняют с помощью пропитки 0,1% раствором синтетического каучука в ацетоне.
Недостатком данного способа являются трудоемкий технологический процесс, с необходимостью использования пресса подготовки поверхности и нанесением покрытия двухэтапным дорогостоящим способом.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат заявленного изобретения заключается в упрощении процесса формирования микроструктуры на поверхности теплообмена с целью увеличения коэффициента теплоотдачи при капельной конденсации.
Технический результат достигается тем, что используют способ формирования супергидрофобной структуры поверхности, в котором на поверхности теплообмена создают шероховатую текстуру, формируют микрорельеф, обрабатывая поверхность потоком абразивных частиц со скоростью v не менее 50 м/с, после чего поверхность очищают промыванием в растворе щелочи, а затем в дистиллированной воде, отличающийся тем, что на очищенную поверхность наносят наножидкость из наночастиц углерода размером меньше 100 нм, каучука и ацетона.
В развитие изобретения способ формирования супергидрофобной структуры поверхности осуществляют при повышенной температуре и низкой влажности.
Использование изобретения позволяет повысить коэффициент теплоотдачи при конденсации, при этом упрощается процесс формирования микроструктуры.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показаны результаты измерения краевого угла в нескольких точках поверхности, обработанной абразивным песком;
На фиг. 2 показаны результаты измерения краевого угла в нескольких точках поверхности, обработанной механическим продавливанием микро структуры;
На фиг. 3 показаны стабильность краевого угла при смачивании дистиллированной водой в течении 90 дней;
На фиг. 4 показаны стабильность коэффициента теплоотдачи при конденсации в течении 30 дней.
Осуществление изобретения
Изобретение осуществляют путем создания микроструктуры и слоя наночастиц углерода следующим образом:
- микроструктуру получают с помощью обработки поверхности абразивным песком со скоростью v>50 м/с,
- готовят наножидкость из наночастиц углерода размером меньше 100 нм, каучука и ацетона,
- наносят полученную наножидкость на поверхность.
Заявленный способ формирования супергидрофобной структуры поверхности может быть реализован, например, следующим образом.
При обработке поверхности металла абразивным песком с высокой кинетической энергией формируют микроструктуру. Для формирования микроструктуры может быть использована пескоструйная машина. Скорость v потока абразивного песка выбирают равной 50 м/с и выше. Дальнейшее увеличение скорости v потока абразивного песка не имеет существенного значения, так как микроструктура для закрепления наночастиц на поверхности уже создается. При обработке потоком абразивного песка со скоростью менее 50 м/с абразивный песок не оставляет следов на стальных и медных поверхностях. Размер частиц при формировании микроструктуры не имеет значения. Таким образом, например, на поверхности меди получают микроструктуру с впадинами диаметром от 90 до 120 мкм и глубиной 40-60 мкм. Сравнение микроструктур поверхностей, полученных продавливанием и предлагаемым способом, показало, что замена продавливания на обработку абразивным песком не изменяет краевой угол (см. фиг. 1 и фиг. 2), при этом упрощается процесс формирования микроструктуры.
Формирование слоя наночастиц осуществляют с помощью нанесения наножидкости из наночастиц углерода размером меньше 100 нм, каучука и ацетона, например, в пропорции по массе 1:10:1000. Экспериментально доказано, что использование наночастиц углерода размером более 100 нм приводит к деградации и разрушению слоя из наночастиц на поверхности. Процесс можно проводить при повышенной температуре и низкой влажности, что может снизить время формирования слоя наночастиц, но не повлияет на итоговые свойства поверхности. В результате получается структура: микроструктура с шероховатостью, например, для меди от 90 до 120 мкм и слой наночастиц с характерным размером до 100 нм.
Для подтверждения стабильности гидрофобного эффекта проводились измерения краевого угла в течении 90 дней. Как видно из фиг. 3, отклонение краевого угла не превышает 10%, что может быть вызвано адсорбцией различных веществ из воздуха или окислением поверхности меди под слоем наночастиц.
Измерение среднего коэффициента теплоотдачи проводили на поверхности медной трубки с сформированной заявленным способом супергидрофобной структурой (фиг. 4). Установлено, что теплоотдача при конденсации на трубке с сформированной заявленным способом супергидрофобной структурой в 2 раза выше, чем для полированной медной трубки, а отклонение коэффициента теплоотдачи в пределах ± 500 Вт/м2 вызвано изменением концентрации неконденсирующихся газов в рабочем объеме и/или изменением температуры теплоносителя в контуре.
Использование изобретения позволяет повысить коэффициент теплоотдачи при конденсации, при этом упрощается процесс формирования микроструктуры.
Claims (1)
- Способ формирования супергидрофобной структуры поверхности, в котором на поверхности теплообмена создают шероховатую текстуру, формируют микрорельеф, обрабатывая поверхность потоком абразивных частиц со скоростью v не менее 50 м/с, после чего поверхность очищают промыванием в растворе щелочи, а затем в дистиллированной воде, отличающийся тем, что на очищенную поверхность наносят наножидкость из наночастиц углерода размером меньше 100 нм, каучука и ацетона в пропорции по массе 1:10:1000.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2805728C1 true RU2805728C1 (ru) | 2023-10-23 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005006403A2 (en) * | 2003-07-09 | 2005-01-20 | The Research Foundation Of State University Of New York | Thermal paste for improving thermal contacts |
RU2601339C2 (ru) * | 2011-07-28 | 2016-11-10 | Кимберли-Кларк Ворлдвайд, Инк. | Супергидрофобные поверхности |
KR101962778B1 (ko) * | 2018-09-05 | 2019-07-31 | 주식회사 태진중공업 | 초저온 열교환기 튜브의 초발수 코팅방법과 그 방법에 의해 제조된 초저온 열교환기 튜브 및 이에 사용되는 초발수 코팅용 코팅제 조성물 |
CN209558942U (zh) * | 2019-01-08 | 2019-10-29 | 广东美的制冷设备有限公司 | 换热器、空调器和制冷设备 |
RU2745046C2 (ru) * | 2015-12-11 | 2021-03-18 | Арланксео Сингапур Пте. Лтд. | Эластомерные покрытия |
RU2769107C1 (ru) * | 2021-06-17 | 2022-03-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Способ формирования комбинированной супергидрофобной структуры поверхности |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005006403A2 (en) * | 2003-07-09 | 2005-01-20 | The Research Foundation Of State University Of New York | Thermal paste for improving thermal contacts |
RU2601339C2 (ru) * | 2011-07-28 | 2016-11-10 | Кимберли-Кларк Ворлдвайд, Инк. | Супергидрофобные поверхности |
RU2745046C2 (ru) * | 2015-12-11 | 2021-03-18 | Арланксео Сингапур Пте. Лтд. | Эластомерные покрытия |
KR101962778B1 (ko) * | 2018-09-05 | 2019-07-31 | 주식회사 태진중공업 | 초저온 열교환기 튜브의 초발수 코팅방법과 그 방법에 의해 제조된 초저온 열교환기 튜브 및 이에 사용되는 초발수 코팅용 코팅제 조성물 |
CN209558942U (zh) * | 2019-01-08 | 2019-10-29 | 广东美的制冷设备有限公司 | 换热器、空调器和制冷设备 |
RU2769107C1 (ru) * | 2021-06-17 | 2022-03-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Способ формирования комбинированной супергидрофобной структуры поверхности |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Song et al. | Ultrafast fabrication of rough structures required by superhydrophobic surfaces on Al substrates using an immersion method | |
Xiu et al. | Mechanically robust superhydrophobicity on hierarchically structured Si surfaces | |
Ali et al. | Techniques for the fabrication of super-hydrophobic surfaces and their heat transfer applications | |
Milionis et al. | Liquid repellent nanocomposites obtained from one-step water-based spray | |
CN103993320A (zh) | 一种获得超疏水性铝或铝合金表面的表面处理方法 | |
Fu et al. | Fabrication of robust ceramic based superhydrophobic coating on aluminum substrate via plasma electrolytic oxidation and chemical vapor deposition methods | |
Nguyen et al. | Rendering hydrophilic glass-ceramic enamel surfaces hydrophobic by acid etching and surface silanization for heat transfer applications | |
Swain et al. | Development of highly durable superhydrophobic coatings by one-step plasma spray methodology | |
Yilbas et al. | Surface engineering towards self-cleaning applications: Laser textured silicon surface | |
Forooshani et al. | Superhydrophobic copper surfaces by shot peening and chemical treatment | |
RU2805728C1 (ru) | Способ формирования супергидрофобной структуры поверхности | |
Kumar et al. | Fabrication of superhydrophobic surfaces by laser surface texturing and autoxidation | |
Xu et al. | An extremely efficiency method to achieve stable superhydrophobicity on the surface of additive manufactured NiTi Alloys:“Ultrasonic Fluorination” | |
Pu et al. | Fabrication of super-hydrophobic and highly oleophobic Ti-6Al-4 V surfaces by a hybrid method | |
Kuzina et al. | Preparation of stable superhydrophobic coatings on a paint surface with the use of laser treatment followed by hydrophobizer deposition | |
Zhang et al. | A superhydrophobic coating on titanium alloys by simple chemical etching | |
Wu et al. | Preparation of mechanically durable superhydrophobic aluminum surfaces by LST/MAO and chemical modification | |
Panda | Corrosion resistant superhydrophobic aluminum alloy: A review | |
Jian et al. | Fabrication of a micro/nanoscaled hierarchical structure surface on brass with anti-icing and self-cleaning properties | |
Wang et al. | The effect of laser surface treatment on the adhesive bonding performance of aluminum alloy | |
Sun et al. | Facile fabrication of durable superhydrophobic aluminum alloy surfaces by HS-WEDM and chemical modification | |
Li et al. | Fabrication of micro-and nano-scale hierarchical structures on Al surface with enhanced wettability, anti-corrosion and wear resistance | |
Shi et al. | Fabrication of superhydrophobic micro-nanostructured aluminum alloy surface via a cost-effective processing using an ultra-low concentration of fluoroalkylsilane | |
Aras et al. | Highly durable spray-coated superhydrophobic surface: Pre-anodizing and fatty acid chain length effect | |
Emelyanenko et al. | Synthesis of wear-resistant superhydrophobic coatings via laser micro-and nanotexturing |