阅读说明：本技术 一种无微纳结构光滑疏水表面的制备方法 (Preparation method of smooth hydrophobic surface without micro-nano structure ) 是由 吕凤勇 林思帆 苗洁 邹积明 聂寒璐 董振标 李腊圆 季恺康 于淼 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种无微纳结构光滑疏水表面的制备方法,涉及强化珠状冷凝的疏水表面制备技术领域,本发明的方法包括以下步骤：步骤1、将试样依次用丙酮、乙醇和盐酸超声波清洗,并用氮气吹干；步骤2、将步骤1中处理过的所述试样在第一温度下恒温热处理,得到无微纳结构的光滑疏水表面。本发明制备的光滑疏水表面能够降低液滴与表面之间的粘附力,有利于液滴发生迁移运动从而清扫沿途的小液滴,更新冷凝表面,强化冷凝换热性能；而且这种光滑疏水表面不存在微纳结构,表面的耐久性增强；此外,本发明加工工艺简单、成本低廉、耐久性好,绿色环保,具有有益的技术效果。(The invention provides a preparation method of a smooth hydrophobic surface without a micro-nano structure, and relates to the technical field of preparation of hydrophobic surfaces for strengthening bead-shaped condensation, wherein the preparation method comprises the following steps: step 1, ultrasonically cleaning a sample by using acetone, ethanol and hydrochloric acid in sequence, and drying the sample by using nitrogen; and 2, carrying out constant-temperature heat treatment on the sample processed in the step 1 at a first temperature to obtain a smooth hydrophobic surface without a micro-nano structure. The smooth hydrophobic surface prepared by the invention can reduce the adhesive force between the liquid drops and the surface, is beneficial to the liquid drops to move so as to clean the liquid drops along the way, renew the condensation surface and strengthen the condensation heat exchange performance; moreover, the smooth hydrophobic surface has no micro-nano structure, so that the durability of the surface is enhanced; in addition, the invention has the advantages of simple processing technology, low cost, good durability, environmental protection and beneficial technical effect.)

一种无微纳结构光滑疏水表面的制备方法

技术领域

本发明涉及强化珠状冷凝的疏水表面制备技术领域，具体地，涉及一种无微纳结构光滑疏水表面的制备方法。

背景技术

蒸汽冷凝相变换热过程广泛应用于制冷、石油化工、航空航天等领域，强化冷凝换热过程对节能具有重要意义。根据固体表面润湿性能的不同，蒸汽在固体表面冷凝状态可以分为珠状冷凝和膜状冷凝。珠状冷凝时，表面形成离散的冷凝液滴；而膜状冷凝时，一层连续的液膜覆盖在冷凝表面，凝结释放的相变潜热必须穿过液膜才能传导到冷凝表面。研究结果表明，膜状凝结的热阻比珠状凝结大一个数量级。因此，维持持续稳定的珠状冷凝状态，对增强冷凝相变换热性能尤为重要。

目前，强化冷凝相变换热主要有两种方式：一是通过对冷凝传热表面改性，即在表面上制备微纳结构再修饰疏水物质来提高表面的疏水性，从而维持较高的周期性冷凝核化数密度，达到提高冷凝换热性能的目的；但这种表面上的微纳结构往往非常脆弱，导致其耐久性较差，很容易失效从而不能长期维持较高的冷凝换热能力。二是通过改变传热管外壁面宏观结构，增大冷凝换热面积，同时为冷凝液滴提供输运通道，促进液滴脱离冷凝表面。为了强化蒸汽冷凝相变换热性能，研究人员通过沉积法、旋涂法和刻蚀法等制备疏水或超疏水表面，但是这些方法在实际制备过程中需要各种仪器设备，工序复杂、成本高昂，甚至会造成环境污染，不利于大规模生产以及进一步推广应用。

为此，本发明提供一种无微纳结构光滑疏水表面的制备方法，制备流程简单、成本低廉、耐久性好，并能维持高效的冷凝换热性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无微纳结构光滑疏水表面的制备方法。

本发明提供的无微纳结构光滑疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将试样依次用丙酮、乙醇、盐酸和蒸馏水超声波清洗，并用氮气吹干；

步骤2、将步骤1中处理过的所述试样在第一温度下恒温热处理，得到无微纳结构的光滑疏水表面。

优选地，所述步骤2中的第一温度为150-200℃。

优选地，所述步骤2中的恒温热处理时间为60-120min。

优选地，所述试样的材质为紫铜。

本方案中，首先去除试样表面残留的有机物和氧化物等杂质，然后对试样进行热处理，形成氧化亚铜表面，从而得到无微纳结构的光滑疏水表面。这种光滑疏水表面具有较好的耐久性，能够有效促进蒸汽冷凝核化、液滴合并及脱离、清扫沿途液滴，更新冷凝表面，从而减少冷凝换热热阻，增大有效冷凝换热面积，强化冷凝换热性能。

优选地，所述试样为平板。

优选地，所述试样为圆管。

本发明中，试样也可以为其他形状的管道。

优选地，所述圆管为光管。

本方案中，光管即表面无宏观结构。

优选地，所述圆管为螺纹管。

进一步地，所述螺纹管外壁面带有环形螺纹。

本方案中，螺纹管外壁面带有环形螺纹结构，相邻螺纹之间形成的空间构成定向输运的螺纹沟槽，试样表面为无微纳结构的光滑疏水表面，通过一次热处理即可获得。

进一步地，所述环形螺纹的横断面形状、螺旋角、螺纹高度和间距任意组合。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的无微纳结构光滑疏水表面的制备方法，相较于常规的表面，本发明的光滑疏水表面无微纳结构，而且液滴与表面之间的粘滞力降低，液滴不容易钉扎在表面上，有利于微液滴发生迁移运动，清扫沿途的小液滴，为再次冷凝核化提供冷凝面积，加速冷凝核化过程，削弱冷凝换热热阻，显著增强冷凝换热能力。

2、本发明提供的无微纳结构光滑疏水表面的制备方法，只需要进行一次加热处理即可将原始表面制备成光滑疏水表面，加工工艺简单、成本低廉、绿色环保、设备要求简单且耐久性好，在一般条件下即可完成。

3、本发明提供的无微纳结构光滑疏水表面的制备方法，螺纹结构不仅增大冷凝换热面积，而且为冷凝液滴提供定向输运通道，有利于液滴发生迁移运动，促进冷凝液滴合并和定向运输。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例1的无微纳结构光滑疏水紫铜圆管照片；

图2为本发明实施例2的具有螺纹结构的光滑疏水紫铜圆管照片；

图3为本发明实施例的光滑疏水表面接触角；

图4为本发明实施例的光滑疏水表面SEM照片；

图5为本发明实施例的光滑疏水表面和原始表面的化学成分XPS谱图；

图6A、6B、6C为本发明实施例1的光滑疏水表面上微观冷凝液滴形成、聚合、脱离和液滴再形成过程照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种工艺简单、便捷、设备要求简单、成本低廉、绿色环保，而且可大规模生产的无微纳结构光滑疏水表面的制备方法。采用本方法制备的光滑疏水表面具有较好的耐久性，而且冷凝液滴不易钉扎在光滑疏水表面上，有利于冷凝液滴发生迁移并清扫其路径上的小液滴，更新冷凝换热表面，增大有效冷凝换热面积，强化冷凝换热性能。

本发明选用的试样材质为紫铜，试样为平板或圆管，也可以为其他形状的管道，相应地，试样的表面为平面或曲面。圆管可以为无宏观结构光管，也可以为螺纹管。螺纹管的外壁面带有环形螺纹结构，环形螺纹的横断面形状、螺旋角、螺纹高度和间距可以任意组合。

本发明的无微纳结构光滑疏水表面的制备方法包括以下步骤：

步骤1、将试样依次用丙酮、乙醇、盐酸和蒸馏水超声波清洗，并用氮气吹干；

步骤2、将步骤1中处理过的试样在第一温度下恒温热处理，得到无微纳结构的光滑疏水表面。

本发明中，步骤2的第一温度为150-200℃，恒温热处理时间为60-120min。

实施例1

一种无微纳结构光滑疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、试样预处理

选用外径为8mm，内径为4mm的紫铜圆管作为试样，将紫铜圆管依次用丙酮和乙醇超声波清洗10-15min，随后用蒸馏水清洗；之后在浓度为5wt％的盐酸溶液中浸泡10-20min，最后用蒸馏水清洗并迅速用氮气吹干，从而除去紫铜圆管表面的有机物和氧化物等杂质，得到干净的紫铜圆管。

步骤2、试样外表面疏水处理

将步骤1中预处理过的紫铜圆管放入烤箱中，在150℃下恒温热处理60min，之后自然冷却至室温，最终得到具有光滑疏水表面的紫铜圆管，如图1所示。

上述过程得到的紫铜圆管的接触角为114.4°±0.8°，呈疏水性，如图3所示。经热处理后得到的疏水表面除少数自然凹坑外，无任何微纳结构，整个表面几乎呈光滑状态，如图4所示。通过表征光滑疏水表面的化学成份，如图5所示，发现加热后表面Cu⁺/Cu²⁺的原子比例从加热前表面的0.82增加到1.493(对于热处理后的光滑疏水表面，结合能为962.79eV、944.18eV和952.79eV、933.01eV的四个峰分别对应于Cu²⁺和Cu⁺；而结合能为961.92eV、943.67eV和952.53eV、932.73eV的四个峰分别对应于加热前表面的Cu²⁺和Cu⁺)，表面的氧化亚铜(Cu₂O)呈现疏水性，这表明加热处理之后表面形成了氧化亚铜疏水表面。图6A、6B、6C示出了蒸汽在光滑疏水表面冷凝核化、液滴聚集合并、迁移运动，再次核化等过程，这些过程进一步强化了珠状冷凝换热性能。通过实验研究可知，光滑疏水紫铜圆管的冷凝换热系数是原始微结构紫铜管冷凝换热系数的1.5-1.8倍。

实施例2

本实施例与实施例1的试样预处理和试样外表面疏水处理过程完全相同，区别在于本实施例选用外径为8mm，内径为4mm的紫铜圆管作为试样，并通过螺纹攻丝工艺在紫铜圆管外管壁加工螺纹间距为1.0mm，螺纹角为60°的环状螺纹，其中螺纹高度为0.650mm，螺纹根部厚度为0.833mm，螺纹顶部厚度为0.125mm，螺纹根部沟槽宽度为0.167mm，试样如图2所示。

本实施例的光滑疏水紫铜圆管使用螺纹结构增大了冷凝换热面积，螺纹侧面有利于液滴迁移运动，冷凝换热系数进一步提高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。