[發(fā)明專利]一種在金屬基底上制作疏水表面的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310237170.7
• 申請(qǐng)日: 2013-06-14
• 公開（公告）號(hào): CN103276342A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡雪蛟;黃志;章先濤;闞偉民;肖小清
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C8/10
• 分類號(hào): C23C8/10;C23C8/80
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

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技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明屬于金屬表面材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在金屬基底上制作疏水表面的方法。

背景技術(shù)

作為一種必不可少的工藝過程單元設(shè)備，冷凝器已廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、輕工、食品和醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域中。冷凝傳熱現(xiàn)象主要有兩種形式：珠狀凝結(jié)和膜狀凝結(jié)。后者的傳熱系數(shù)是前者的幾倍甚至幾十倍，因此珠狀凝結(jié)若能實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，則既能減少冷凝器傳熱面積，又能獲得節(jié)能效果。

蒸汽在固體表面上冷凝成珠的必要條件是表面不被該蒸汽的冷凝液潤(rùn)濕，即表面具有低表面能。然而，工業(yè)冷凝器多為金屬制造，而金屬表面一般為高能表面，要在金屬表面形成珠狀凝結(jié)，傳統(tǒng)思路一般是降低金屬表面能。

傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)珠狀冷凝的方法主要有：①在金屬表面涂覆有憎水基的化學(xué)物質(zhì)；②往蒸汽中添加有機(jī)促進(jìn)劑；③在金屬表面上鍍貴金屬；④制備低表面能的聚合物表面。上述方法存在著污染冷凝液、制作環(huán)境要求苛刻、制作工藝復(fù)雜以及制作成本昂貴等問題，限制了珠狀冷凝的工業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的在金屬基底上制作疏水表面的方法，所制備的疏水表面可實(shí)現(xiàn)純蒸汽下的珠狀凝結(jié)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種在金屬基底上制作疏水表面的方法，包括步驟：

步驟1，高溫氧化：于500~1000℃下氧化金屬基體至其表面形成氧化層；

步驟2，低溫冷凝：將高溫氧化后的金屬基體冷卻至室溫后，于0~5℃下進(jìn)行冷凝，即可在金屬基底上獲得疏水表面。

上述高溫氧化步驟中，具體可采用采用酒精燈、酒精噴燈或電加熱棒對(duì)金屬基體加熱，以在金屬基體表面形成氧化層。

上述低溫冷凝步驟中，具體可采用半導(dǎo)體制冷裝置、冰袋或壓縮制冷裝置對(duì)金屬基體進(jìn)行冷凝。

上述低溫冷凝步驟的優(yōu)選方案為：

將高溫氧化后的金屬基體冷卻至室溫后，于0~5℃下反復(fù)冷凝3~5次，每次冷凝時(shí)間1~2小時(shí)，每次冷凝完成，待金屬基體溫度回至室溫后再進(jìn)行下一次冷凝。

作為優(yōu)選，在高溫氧化基體前，可對(duì)金屬基體進(jìn)行打磨。

作為優(yōu)選，在低溫冷凝金屬基體前，清除金屬基體氧化層的表層。

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采用躺滴法測(cè)量金屬基體疏水表面接觸角，結(jié)果表明，采用本發(fā)明方法在金屬基體可獲得疏水表面，且疏水表面接觸角為113°，見圖2。采用掃描電子顯微鏡表征金屬基體上疏水表面形貌，結(jié)果表明，疏水表面為微納米二級(jí)結(jié)構(gòu)，見圖3。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，可以看出，采用本發(fā)明方法是可以直接在金屬基體上制備出疏水表面。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明突破了傳統(tǒng)的降低金屬表面能的方法，采用在金屬基體表面制作疏水表面，以達(dá)到降低金屬基體表面能的目的，本發(fā)明方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、對(duì)制作環(huán)境無嚴(yán)格要求、且成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

2、采用本發(fā)明方法可直接在金屬基體表面制作疏水表面，不需向蒸汽中添加多余的用來降低熱阻的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)純蒸汽在壁面的珠狀凝結(jié)。

3、和現(xiàn)有的疏水表面相比，本發(fā)明所獲疏水表面不僅可實(shí)現(xiàn)純蒸汽下的珠狀凝結(jié)，而且在含不凝結(jié)氣體情況下，具有更高的凝結(jié)效率，極大強(qiáng)化含不凝結(jié)氣體情況下的珠狀凝結(jié)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施的實(shí)驗(yàn)室意圖，其中，1為紫銅片，2為酒精燈，3為氧化層，4為半導(dǎo)體制冷裝置；

圖2為金屬銅表面和疏水銅表面的接觸角示意圖，其中，圖（a）為金屬銅表面接觸角示意圖，圖（b）為疏水銅表面觸角示意圖；

圖3為疏水銅表面的掃描電子顯微鏡圖；

圖4為疏水銅表面的XRD圖；

圖5為冷凝實(shí)驗(yàn)示意圖，其中，5為銅塊，6為導(dǎo)熱硅膠層，7為接水容器，8為半導(dǎo)體制冷片，9為電扇，10為散熱片；

圖6為疏水銅表面的珠狀凝結(jié)照片；

圖7為4種不同表面在測(cè)量2h時(shí)的相對(duì)凝結(jié)水量。

具體實(shí)施方式

下面將以銅基體為例來詳細(xì)說明本發(fā)明方法的具體實(shí)施。

本具體實(shí)施示意圖見圖1所示，具體步驟如下：

步驟1，采用P500和P2000型號(hào)砂紙反復(fù)打磨紫銅片。

步驟2，于空氣中，將紫銅片置于500℃下高溫氧化10~15分鐘，或置于1000℃下高溫氧化1~3分鐘，在紫銅片表面形成黑色氧化層。