非均匀润湿性表面的构建及其冷凝特性研究.pdf

摘要 摘要 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，经测试相同图案表面结露集水效率较疏水-超疏水表面有所 提高，促进表面冷凝结露集水效果好，可以有效调控表面结露集水效果。 基于纳米二氧化硅超疏水涂料的研究，利用颗粒杂化技术制备了非均匀润湿涂料，通过 喷涂或浸渍提拉工艺，制备了颗粒杂化非均匀润湿性涂层。对比分析了颗粒种类、颗粒占比、 颗粒尺寸和涂层厚度对表面冷凝特性和结露集水性能的影响。实验表明在室温条件下集水5h 2 后，选择亲水性SiC 颗粒杂化制备的非均匀润湿性涂层，表面集水效率最高可以达1600 g/m ∙h ， 比纳米二氧化硅超疏水涂层提高67%，比未处理的亲水表面结露集水效率提高81%，具有优 异的强化冷凝结露集水效果。 基于底面复合技术在除雾器表面制备了颗粒杂化非均匀润湿性涂层，其接触角接近158°， 滚动角低于5°。经测试，采用FEVE 与丙烯酸比例为1:1 的复合树脂作为增强体制备的涂层 耐磨性能良好，可手指摩擦30 个循环后仍保持优异的超疏水特性，表面基膜结合力由3-4 级 提高至零级；同时，所制备涂层在相对湿度为99%的条件下，仍具有优异的液滴滴状冷凝和 结露集水效果。 关键词：非均匀润湿性；亲水-超疏水；颗粒杂化；底面复合 I Abstract Abstract Condensation is a common phenomenon in daily life and industrial production. The water film formed by condensation not only affects the heat exchange efficiency of the surface, but also reduces the recovery effect of condensate droplets. In order to improve the water collecting efficiency in industrial field, inspired by spider silk, cactus, desert beetle and other special hybrid wettability surfaces in nature, this paper carried out the research on bionic hybrid wettability surfaces.Based on the characteristics of high nucleation rate of droplet in hydrophilic region and