非均匀润湿性表面的构建及其冷凝特性研究
发布时间：2021-05-28 15:57
冷凝结露现象普遍存在于日常生活和工业生产中,结露形成的水膜不仅影响表面的热交换效率,而且也会降低冷凝液滴的回收效果;为提高工业领域集水设备表面结露集水效率,受自然界中具备特殊非均匀润湿性表面的动植物,如蜘蛛丝、仙人掌、沙漠甲虫等启发,本文开展了仿生非均匀润湿性表面的研究。利用亲水区液滴形核率高和超疏水区液滴离开表面运动速度快的特点,提高了表面冷凝结露量,达到了强化表面滴状冷凝结露集水的效果,并开展了非均匀润湿性表面在工程应用方面的探索。主要研究内容和结果如下:利用光刻技术加工了四种不同尺寸和间隙的微米楔形硅柱阵列,首先涂覆纳米二氧化硅超疏水涂料获得超疏水涂层,然后将硅柱顶部涂层去除使硅基底裸露,而硅柱底部的超疏水涂层予以保留,获得疏水-超疏水图案化非均匀润湿性表面,所制备的表面接触角在150°以上,滚动角10°以下。经冷凝试验测试表明,楔形尺寸小而间隙大的图案表面液滴形核率高,直径小于30μm的液滴接近90%,直径大于50μm的液滴仅为3%;集水试验结果表明,图案化表面冷凝液滴总质量比单一的超疏水表面提高了10倍以上。对裸露的硅柱顶端进行亲水修饰获得图案化亲水-超疏水表面,经测试相同图...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
冷凝结露的应用(a)火力发电厂(b)海水淡化系统(c)沙漠集水装置(d)太阳能蒸馏器
东南大学硕士学位论文21.2冷凝结露现象1.2.1冷凝结露现象的影响冷凝和结露是自然界与生活中最常见的固体表面相变传热传质现象，当固体表面温度低于蒸汽的饱和温度时，分散在空气中的蒸汽分子与冷表面接触时释放能量形成液核，再通过吸收周围的水蒸气从而逐渐生长为露滴。研究发现，蒸汽分子在固体表面的冷凝形态主要取决于该表面的润湿性，冷凝形态通常分为膜状冷凝和滴状冷凝两种，如图1.2所示。当水蒸气在亲水表面冷凝时，液滴形核能垒低，水蒸气容易形核并长大，由于亲水表面的表面能较大，液滴在表面粘附性大，难以脱附，液滴逐渐长大连接形成液膜而完全润湿器壁表面，液膜愈积愈厚，多余的冷凝液就沿壁流下，即形成膜状冷凝。发生膜状冷凝时，由于壁面上始终覆盖着一层液膜，空气中的热量传递主要是通过冷凝的液膜传入冷表面，由于水的比热容较大，比其它液体普遍较高，是热的不良导体，致使冷凝表面和被冷凝蒸汽间的传热遇到了阻力，壁面和被冷凝蒸汽间的传热遇到了阻力，降低传热效率。当水蒸气在疏水表面冷凝时，水蒸气一旦形核，由于该表面具有低的表面能，液滴在固体表面冷凝时能够形成较大的接触角，实现滴状冷凝过程。在此过程中，滴状冷凝时的热量传递途径分为两种，一种是在没有液滴形成的区域，空气中的热量直接传入冷表面，另一种是在液滴形成的区域，空气中的热量经由冷凝的液滴传入冷表面。由于滴状冷凝比膜状冷凝表面冷凝液滴少，在热量传递时，传热遇到的阻力小，因此，滴状冷凝的传热系数很高，比常见的膜状冷凝传热系数高几十倍[8]。图1.2固体表面冷凝液滴结露状态目前，在滴状冷凝的研究中，具有纳米结构或微-纳米二级结构的超疏水表面可以实现滴状冷凝过程[9]。液体与固体表面间的夹角θ值常被用来表示固体表面被浸润的
在制备的超疏水表面上存在部分亲水点时，由于亲水点表面能低，将会使滴状冷凝时的成核率大大增加。并且在超疏水表面的作用下，液滴通过表面冷凝和合并的方式生长到临界尺寸时将会脱离原来位置。当生长或合并到某一临界尺寸时，冷凝液滴不再满足平衡条件，会脱离原先的位置而落下[12,13]。基于此制备有低表面能及优良的传热性能的特殊润湿性的功能性表面可以实现滴状冷凝，使表面冷凝露滴保持高结露效率和高效脱附，从而提高冷表面的热交换效率。1.2.2自然生物的结露集水机制自然界中不乏具有特殊润湿性的功能性表面[13]（如图1.3所示）。最初人们发现荷叶[14,15]的表面具有优异的超疏水性能，通过研究发现荷叶表面不仅有一层纳米级蜡质层，同时具有微观的乳突结构，荷叶表面特殊的润湿性就来源于这些微观乳突结构。之后又有研究发现，蝴蝶[16,17]、水黾[17,18]、蚊子[18]、白蚁等身体部位也有超疏水表面。基于天然超疏水表面，人们成功研究了各种人工超疏水表面，之后更是研究了一些具有高电导率、各向异性或双疏（疏水疏油）等特殊功能的功能超疏水表面。图1.3自然结构超疏水表面[19]（a）水黾站在水面（b）水黾腿部多层微米尺寸的刚毛扫描电子显微镜（SEM）图像（c）刚毛上的纳米沟槽比例尺：（b）20微米（c）200纳米；（d）一只蝴蝶的示意图（e）蝴蝶翅膀的横向SEM图像（f）蝴蝶翅膀的平面SEM图像；（g）壁虎及脚趾（h）壁虎脚趾刚毛的SEM图像（i）不同放大倍数下刚毛排列SEM图像
【参考文献】：
期刊论文
[1]猪笼草口缘超湿滑的揭密:Jiang-Taylor毛细升与液体定向输运[J]. 王树涛. 化学进展. 2017(01)
[2]Effects of shrub presence and shrub species on ground beetle assemblages （Carabidae,Curculionidae and Tenebrionidae） in a sandy desert,northwestern China[J]. JiLiang LIU,WenZhi ZHAO,FengRui LI. Journal of Arid Land. 2015(01)
[3]超疏水表面液滴的冷凝成长特性研究[J]. 贺吉昌,贾志海,雷威,蔡泰民. 流体机械. 2014(02)
[4]超疏水表面微纳二级结构对冷凝液滴最终状态的影响[J]. 刘天庆,孙玮,孙相彧,艾宏儒. 物理化学学报. 2010(11)
[5]蒸汽滴状冷凝传热机理和实现方法的研究进展[J]. 朱冬生,孙荷静. 流体机械. 2009(10)
[6]具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料[J]. 江雷. 科学观察. 2007(05)
[7]固液界面能差效应与冷凝传热强化研究进展[J]. 马学虎,宋天一,兰忠,周兴东,杨锦宗. 化工学报. 2006(08)
[8]水蒸气在低能表面相变形态的热力学分析[J]. 岳丹婷,孙玉清,刘惠枝. 工程热物理学报. 1997(05)
本文编号：3208332
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
冷凝结露的应用(a)火力发电厂(b)海水淡化系统(c)沙漠集水装置(d)太阳能蒸馏器
东南大学硕士学位论文21.2冷凝结露现象1.2.1冷凝结露现象的影响冷凝和结露是自然界与生活中最常见的固体表面相变传热传质现象，当固体表面温度低于蒸汽的饱和温度时，分散在空气中的蒸汽分子与冷表面接触时释放能量形成液核，再通过吸收周围的水蒸气从而逐渐生长为露滴。研究发现，蒸汽分子在固体表面的冷凝形态主要取决于该表面的润湿性，冷凝形态通常分为膜状冷凝和滴状冷凝两种，如图1.2所示。当水蒸气在亲水表面冷凝时，液滴形核能垒低，水蒸气容易形核并长大，由于亲水表面的表面能较大，液滴在表面粘附性大，难以脱附，液滴逐渐长大连接形成液膜而完全润湿器壁表面，液膜愈积愈厚，多余的冷凝液就沿壁流下，即形成膜状冷凝。发生膜状冷凝时，由于壁面上始终覆盖着一层液膜，空气中的热量传递主要是通过冷凝的液膜传入冷表面，由于水的比热容较大，比其它液体普遍较高，是热的不良导体，致使冷凝表面和被冷凝蒸汽间的传热遇到了阻力，壁面和被冷凝蒸汽间的传热遇到了阻力，降低传热效率。当水蒸气在疏水表面冷凝时，水蒸气一旦形核，由于该表面具有低的表面能，液滴在固体表面冷凝时能够形成较大的接触角，实现滴状冷凝过程。在此过程中，滴状冷凝时的热量传递途径分为两种，一种是在没有液滴形成的区域，空气中的热量直接传入冷表面，另一种是在液滴形成的区域，空气中的热量经由冷凝的液滴传入冷表面。由于滴状冷凝比膜状冷凝表面冷凝液滴少，在热量传递时，传热遇到的阻力小，因此，滴状冷凝的传热系数很高，比常见的膜状冷凝传热系数高几十倍[8]。图1.2固体表面冷凝液滴结露状态目前，在滴状冷凝的研究中，具有纳米结构或微-纳米二级结构的超疏水表面可以实现滴状冷凝过程[9]。液体与固体表面间的夹角θ值常被用来表示固体表面被浸润的
在制备的超疏水表面上存在部分亲水点时，由于亲水点表面能低，将会使滴状冷凝时的成核率大大增加。并且在超疏水表面的作用下，液滴通过表面冷凝和合并的方式生长到临界尺寸时将会脱离原来位置。当生长或合并到某一临界尺寸时，冷凝液滴不再满足平衡条件，会脱离原先的位置而落下[12,13]。基于此制备有低表面能及优良的传热性能的特殊润湿性的功能性表面可以实现滴状冷凝，使表面冷凝露滴保持高结露效率和高效脱附，从而提高冷表面的热交换效率。1.2.2自然生物的结露集水机制自然界中不乏具有特殊润湿性的功能性表面[13]（如图1.3所示）。最初人们发现荷叶[14,15]的表面具有优异的超疏水性能，通过研究发现荷叶表面不仅有一层纳米级蜡质层，同时具有微观的乳突结构，荷叶表面特殊的润湿性就来源于这些微观乳突结构。之后又有研究发现，蝴蝶[16,17]、水黾[17,18]、蚊子[18]、白蚁等身体部位也有超疏水表面。基于天然超疏水表面，人们成功研究了各种人工超疏水表面，之后更是研究了一些具有高电导率、各向异性或双疏（疏水疏油）等特殊功能的功能超疏水表面。图1.3自然结构超疏水表面[19]（a）水黾站在水面（b）水黾腿部多层微米尺寸的刚毛扫描电子显微镜（SEM）图像（c）刚毛上的纳米沟槽比例尺：（b）20微米（c）200纳米；（d）一只蝴蝶的示意图（e）蝴蝶翅膀的横向SEM图像（f）蝴蝶翅膀的平面SEM图像；（g）壁虎及脚趾（h）壁虎脚趾刚毛的SEM图像（i）不同放大倍数下刚毛排列SEM图像
【参考文献】：
期刊论文
[1]猪笼草口缘超湿滑的揭密:Jiang-Taylor毛细升与液体定向输运[J]. 王树涛. 化学进展. 2017(01)
[2]Effects of shrub presence and shrub species on ground beetle assemblages （Carabidae,Curculionidae and Tenebrionidae） in a sandy desert,northwestern China[J]. JiLiang LIU,WenZhi ZHAO,FengRui LI. Journal of Arid Land. 2015(01)
[3]超疏水表面液滴的冷凝成长特性研究[J]. 贺吉昌,贾志海,雷威,蔡泰民. 流体机械. 2014(02)
[4]超疏水表面微纳二级结构对冷凝液滴最终状态的影响[J]. 刘天庆,孙玮,孙相彧,艾宏儒. 物理化学学报. 2010(11)
[5]蒸汽滴状冷凝传热机理和实现方法的研究进展[J]. 朱冬生,孙荷静. 流体机械. 2009(10)
[6]具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料[J]. 江雷. 科学观察. 2007(05)
[7]固液界面能差效应与冷凝传热强化研究进展[J]. 马学虎,宋天一,兰忠,周兴东,杨锦宗. 化工学报. 2006(08)
[8]水蒸气在低能表面相变形态的热力学分析[J]. 岳丹婷,孙玉清,刘惠枝. 工程热物理学报. 1997(05)
本文编号：3208332
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