一种具有疏水涂层的液体离心喷嘴及其制作方法
阅读说明：本技术 一种具有疏水涂层的液体离心喷嘴及其制作方法 (Liquid centrifugal nozzle with hydrophobic coating and manufacturing method thereof ) 是由 富庆飞 芦佳霖 葛斐 杨立军 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有疏水涂层的液体离心喷嘴,包括：旋流室,旋流室头部上设置有切向通道,切向通道的入口连通流量供应系统,切向通道的出口对应旋流室入口；切向通道与旋流室的内壁上均涂覆有疏水涂层。本发明还公开了一种在液体离心喷嘴内壁面涂覆疏水涂层的方法。本发明在传统的离心式喷嘴结构基础上,在喷嘴内壁形成一层疏水层,可以在不改变离心喷嘴结构的基础上,提高雾化效率,改善液体的雾化效果；使得喷嘴的机械结构更加稳定,降低故障率；同时降低喷嘴的加工难度,方便可靠且成本较低。(The invention discloses a liquid centrifugal nozzle with a hydrophobic coating, comprising: the head of the swirl chamber is provided with a tangential channel, the inlet of the tangential channel is communicated with a flow supply system, and the outlet of the tangential channel corresponds to the inlet of the swirl chamber; the tangential channels and the inner wall of the cyclone chamber are coated with hydrophobic coatings. The invention also discloses a method for coating the inner wall surface of the liquid centrifugal nozzle with the hydrophobic coating. On the basis of the traditional centrifugal nozzle structure, a hydrophobic layer is formed on the inner wall of the nozzle, so that the atomization efficiency can be improved and the atomization effect of liquid can be improved on the basis of not changing the centrifugal nozzle structure; the mechanical structure of the nozzle is more stable, and the failure rate is reduced; meanwhile, the processing difficulty of the nozzle is reduced, and the nozzle is convenient, reliable and low in cost.)
技术领域
本发明涉及一种可以用于液体雾化领域的多用型的小型雾化喷嘴，更为具体的，涉及一种具有疏水涂层的液体离心喷嘴及其制作方法。
背景技术
液体雾化在医疗，农业，消防等领域应用较多，雾化喷嘴的设计对液体的雾化性能会产生极大影响。目前，各式各样的喷嘴在不同的领域中得到了广泛应用，如撞击式喷嘴，针栓式喷嘴以及离心式喷嘴。离心式喷嘴因为机械机构简单、雾化能效比小以及运行相对可靠，应用在很多可靠性要求较高的雾化装置中。目前，提高离心式喷嘴雾化性能的传统方式主要是减小切向通道直径以及增大喷口面积等，但这些方式会使得离心喷嘴的机械结构变得复杂难以加工。
疏水材料由于表面具有的微观凹槽结构，使其具备了良好的减阻性能，可使流体与疏水表面的接触角大于90度，减小摩擦，而且整个表面的平均表面能很低,使疏水表面具有了低迟滞特性。目前，液体雾化领域对喷嘴表面的减阻性能有着非常高的要求，但却并没有在雾化领域对疏水材料展开应用。
因此，如何尝试将疏水材料与雾化喷嘴进行结合应用，以提高雾化效率，改善雾化效果，是本领域技术人员的一个重要研究方向。
发明内容
为此，本发明的目的在于提出一种具有疏水涂层的液体离心喷嘴及其制作方法，使用该喷嘴可以极大地减少液体与壁面的摩擦损失，提高通过率，增大喷嘴通道减阻性能，减少表面流体阻力，提高雾化效果，简单可靠且成本较低。
具体技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种具有疏水涂层的液体离心喷嘴，包括：旋流室，所述旋流室头部上设置有切向通道，所述切向通道的入口连通流量供应系统，所述切向通道的出口对应旋流室入口；所述切向通道与所述旋流室的内壁上均涂覆有疏水涂层。
本发明通过在离心喷嘴中切向通道与旋流室的内壁上均涂覆上疏水涂层，即将离心喷嘴的内表面制备成疏水表面，应用其流体减阻的特性，流体在流经喷嘴疏水内表面时会产生滑移，影响下游的流动速度，从而提高雾化性能。同时，疏水涂层还具有耐腐蚀的功效，无论是金属材料，还是以金属为基底的复合材料或者玻璃材料，其都可以牢固地附着在材料表面上，展现出了良好的机械稳定性以及耐腐蚀的优良性能。
因此，本发明将疏水涂层与雾化喷嘴结合既可以提高雾化效率，改善液体的雾化效果，也可以使得喷嘴的机械结构更加稳定，降低故障率，一举多得。
在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：
优选的，所述旋流室上设置有液膜厚度测量装置。
液膜厚度是表征雾化性能的关键参数，故旋流室上设置的液膜厚度测量装置可以随时测量出喷嘴的雾化性能。
优选的，所述液膜厚度测量装置为环绕所述旋流室设置的圆环电极，所述圆环电极采用双圆环结构，测量双圆环之间的液膜电阻变化即可得到液膜厚度的变化。
优选的，所述圆环电极的内径与所述旋流室内腔的内径相等且所述圆环电极与所述旋流室内腔的表面粗糙度一致，防止液体流经圆环电极时出现流动波动。
优选的，所述圆环电极中两个圆环之间的间距远小于所述离心喷嘴内液膜表面扰动波的波长，这样在两个圆环之间的液膜可认为是近似等厚度的，减小由于液膜波动产生的误差；并且两个圆环之间的间距应大于所述离心喷嘴内的液膜厚度，减小电极自身电阻对液膜厚度测量产生的影响。
优选的，所述圆环电极为化学性质稳定的多孔钛电极。
优选的，所述离心喷嘴内液滴与具有疏水涂层的表面的接触角在90度到180度之间，可以减少液滴与金属或有机玻璃表面产生的流动摩擦，显著提高了雾化效率。
优选的，所述疏水涂层为超疏水纳米透明涂层，其厚度为1-100μm。
另一方面，本发明还提供了一种在液体离心喷嘴内壁面涂覆疏水涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、准备好疏水涂料；
2)、将疏水涂料涂覆于所述切向通道与所述旋流室的内壁上；
3)、低温热干燥固化使得喷嘴内壁面形成稳定的疏水涂层。
优选的，所述疏水涂料为超疏水纳米透明涂料。
通过采用上述技术方案，本发明将疏水涂层置于离心喷嘴内壁上，可以提高雾化效率，改善液体的雾化效果；也可以使得喷嘴的机械结构更加稳定，降低故障率；另外其优点还在于：本发明在传统的离心式喷嘴结构基础上，在喷嘴内壁形成一层疏水层，可以在不改变离心喷嘴结构的基础上，既提高雾化效率，又降低喷嘴的加工难度，方便可靠且成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为离心喷嘴的结构示意图(粗线为经疏水处理的壁面)。
图2附图为离心喷嘴的各部分结构及测量液膜厚度的圆环电极示意图。
图3附图为离心喷嘴的俯视图。
图4附图为用疏水溶液处理的工件表面疏水情况示意图。
图5附图为普通喷嘴与本发明喷嘴压降随流率的变化曲线。
图6附图为普通喷嘴与本发明喷嘴的喷雾场图像。
图7附图为普通喷嘴与本发明喷嘴的喷雾锥角随流率的变化曲线。
图8附图为普通喷嘴与本发明喷嘴的液膜厚度随流率的变化曲线。
其中，图中，
1-旋流室，2-切向通道，3-旋流室入口，4-疏水涂层，5-圆环电极。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例：
下面根据图1-8详细描述本发明实施例中的一种具有疏水涂层的液体离心喷嘴及其制作方法。
一方面，如图1-3所示，本发明实施例公开了一种具有疏水涂层的液体离心喷嘴，包括：旋流室1，旋流室1头部上设置有切向通道2，切向通道2的入口连通流量供应系统，切向通道2的出口对应旋流室入口3；切向通道2与旋流室1的内壁上均涂覆有疏水涂层4。
进一步的，旋流室1上还设置有液膜厚度测量装置；该液膜厚度测量装置优选为环绕旋流室1设置的圆环电极5且该圆环电极5采用双圆环结构。
进一步的，圆环电极5的内径与旋流室1内腔的内径相等且圆环电极5与旋流室1内腔的表面粗糙度一致。
进一步的，圆环电极5中两个圆环之间的间距远小于离心喷嘴内液膜表面扰动波的波长，大于离心喷嘴内的液膜厚度。
进一步的，圆环电极5为多孔钛电极。
进一步的，离心喷嘴内液滴与具有疏水涂层4的表面的接触角在90度到180度之间。
进一步的，疏水涂层4为超疏水纳米透明涂层，其厚度为1-100μm。
另一方面，本发明实施例公开了一种在液体离心喷嘴内壁面涂覆疏水涂层4的方法，包括如下步骤：准备好疏水涂料；将疏水涂料涂覆于切向通道2与旋流室1的内壁上；低温热干燥固化使得喷嘴内壁面形成稳定的疏水涂层4。
其中，疏水涂料优选为超疏水纳米透明涂料。
本发明的具体设计原理为：
本发明通过使用一种超疏水纳米透明涂料，将该超疏水涂料涂覆在喷嘴内壁面(具体为切向通道2与旋流室1的内壁上)，并通过合理的温控措施使得喷嘴内壁面形成稳定的疏水涂层4。这样液体从流量供应系统进入切向通道2，通过切向孔(旋流室入口3)进入旋流室1，流体在旋流室1中螺旋前进，在旋转运动离心力的作用下，流体并不充满旋流室1，中间存在一个与外界大气相通的空心涡；流体在喷口处呈环状膜喷出，在出口处切向速度和轴向速度的共同作用下，形成锥形液膜；高速喷出的液膜与气流相作用，破裂成液丝，进而雾化成液滴，达到液体雾化的目的。在此过程中，由于切向通道2与旋流室1中均有疏水涂层4存在，影响了流体在旋流室1内的切向速度，进而对雾化效果产生了影响。
进一步的，本实施例中还详细提供了上述超疏水纳米透明涂料的其中一种制备方法，其具体所采用的制备工艺如下：
1)、将第一类无机纳米粒子加入到有机溶剂中形成第一溶液；将分散剂和第二类无机纳米粒子加入到第一溶液中，超声分散，得到分散液；
其中，第一类无机纳米粒子为氧化锌、二氧化钛、氧化锡、硫化锌等物质的一种或者两种以上；
第二类无机纳米粒子为氧化锌、二氧化钛、氧化锡、硫化锌中的一种或者两种以上；
第一类无机纳米粒子的粒径1-50nm；
第二类无机纳米粒子优选为亲油性二氧化硅纳米粒子，粒子的粒径100nm以上，优选为200nm以上；
第一类无机纳米粒子的粒径远小于第二类无机纳米粒子的粒径；
分散剂为BYK 143、BYK 180、BYK 3550、BYK 379、Nanosil 9009、Nanosil 8808、Nanosil 6606或聚丙烯酸盐中的一种或两种以上；
有机溶剂为二甲苯、乙酸丁酯、丙酮、正已烷中的一种或者两种以上；
第一类无机纳米粒子和第二类无机纳米粒子的质量和与有机溶剂的质量之间满足1:20-1:200；
分散剂与有机溶剂的质量满足1:5-1:20；
2)、在分散液中加入交联剂和添加剂，超声分散均匀后再加入低表面能聚合物，混合均匀，得到透明澄清的超疏水纳米透明涂料；
其中，交联剂为甲基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、DOW CORNING 88或DOWCORNING 27中的任意一种；
添加剂为乙醇、氨水、稀盐酸或冰醋酸中的一种或者两种以上；氨水的质量浓度是20％；稀盐酸的质量浓度是30％；
低表面能聚合物为长链脂肪胺、长链脂肪酸、长链脂肪醇、全氟烷基胺、十二硫醇、全氟烷基酸、全氟烷基醇或十七氟癸基三乙氧基硅烷(FAS)中的任意一种；
交联剂与有机溶剂的质量比满足1:60-1:100；
添加剂与有机溶剂的质量比满足1:50-1:400；
低表面能聚合物与有机溶剂的质量比满足1:30-1:100。
将上述制得的超疏水纳米透明涂料涂覆在喷嘴内壁面，低温热干燥固化便可得到超疏水纳米透明涂层。
经实验，将去离子水滴在有超疏水纳米透明涂层和无涂层的有机玻璃表面(左侧有涂层，右侧无涂层)，如图4所示，观察到液滴与具有疏水涂层4的表面接触面积较大，测得液珠与疏水表面的夹角约为117°，满足疏水特性的要求。
由上述制备方法得到的超疏水纳米透明涂层厚度为1-100μm，可依据实际使用表面和涂层设计寿命自由调节。
经进一步实验验证，上述超疏水纳米透明涂层在绝大多数固体基材表面都表现出优异的疏水防水效果。其中，固体基材包括金属、塑料、玻璃、纸张、木材或纺织物等材料。
以下为利用本实施例一种具有疏水涂层的液体离心喷嘴进行的雾化性能测试。
1.具有疏水涂层的液体离心喷嘴在进出口压力作用下的稳定性测试
测量在不同流率下喷嘴的进出口压降变化，结果如图5所示，图5中，x轴代表流率/(m3/h)，y轴代表压降/Mpa，A代表普通喷嘴，B代表本实施例疏水喷嘴。
从图5中可以看出不同的喷嘴出入口压降有明显区别，并且具有疏水涂层4的喷嘴压降更小，说明本发明在喷嘴内壁面涂覆疏水涂层4的方法是可行的。而喷嘴内部的压降随着流量的增大而增大，基本呈现线性趋势，且疏水喷嘴的压降小于普通喷嘴的压降。疏水涂层4可以使流经喷嘴内壁面的流体产生滑移，减小阻力，从而影响喷嘴内部的压降变化。
2.疏水涂层对喷雾锥角的影响
图6展示了不同喷嘴的喷雾场随流量的变化情况，图6中，A代表普通喷嘴，B代表本实施例疏水喷嘴。
从图6中可以清晰地看出喷雾锥角随着流量的增大而增大，且同一流量下的疏水喷嘴的喷雾锥角略大于普通喷嘴.
实际测得的喷雾锥角结果如图7所示，图7中，x轴代表流率/(m3/h)，y轴代表喷雾锥角(°)，A代表普通喷嘴，B代表本实施例疏水喷嘴。
从图7中可以发现疏水喷嘴的喷雾锥角大于普通喷嘴，使得高速喷出的流体与空气的接触面积增大，空气扰动作用大，显著提高了雾化性能。喷雾锥角α可表示为其中uθ为旋流室出口切向速度分量，ux为轴向速度分量，疏水壁面使得流体在旋流室内产生滑移，切向速度增大，使得喷雾锥角增大。
3.疏水涂层对液膜厚度的影响
图8展示了由圆环电极5测量出的液膜厚度随流量的变化，图8中，x轴代表流率/(m3/h)，y轴代表液膜厚度(mm)，A代表普通喷嘴，B代表本实施例疏水喷嘴.
从图8中可以发现经过疏水处理的喷嘴比普通喷嘴的液膜厚度大，从而使得液膜从旋流室1出口高速喷出与空气动力作用时更容易破裂，因此疏水涂层4的使用提高了喷嘴的雾化性能。
综上，本发明提供的具有疏水涂层的液体离心喷嘴，经过实验测试，具有喷嘴压降减小，喷雾锥角增大以及液膜厚度变小的特征，这些特征反映了本发明可在不改变喷嘴结构的基础上提高雾化质量，效果显著且易于操作。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。