金属丝网超亲/疏水性强化气液相界面运动

利用多孔结构进行液体的导流和气液分离是近年来强化传热的研究热点,主要原理是气液固三相界面的受力平衡,固相材料的亲疏水性则是决定微孔内气液固三相界面运动规律的关键因素。针对具有一定亲水性的金属铜网,进行超亲水和超疏水处理;考察多孔结构亲疏水性对相界面以及气液两相分离效果的影响。结果表明,金属铜网具有浸润自相容性;经过亲疏水表面改性后,超亲水性能阻挡气泡的通过;超疏水性能的多孔铜网更易与气体为伍,形成致密气封膜,阻挡液体进犯。静态实验测定多孔丝网的浸润自相容能力,接触角为151°丝网,对液相阻滞力为117.6N·m^-2;接触角为0°的超亲水丝网对气相阻滞力为49N·m^-2,并建立了多孔结构浸润自相容性与分离临界气泡尺寸的数学关联。     

润湿性对微纳复合结构表面池沸腾换热的影响

为揭示润湿性对微纳复合结构表面池沸腾传热的影响,采用电刷镀工艺和表面改性技术在紫铜表面制备了接触角分别为6.5°和148.6°的超亲水性和超疏水性微纳复合结构,通过实验对比研究了不同表面的饱和池沸腾传热特性,结果表明:(1)超亲水性和超疏水性微纳复合结构的最大换热系数较光表面分别提高了3倍和1.5倍;(2)在q580k W×m~(-2)的低热流密度区,超疏水性微纳复合结构的换热系数最大;当q580 k W×m~(-2)时,超亲水性微纳复合结构的传热性能开始优于超疏水性微纳复合结构;(3)超亲水性微纳复合结构表面的临界热流密度较光表面和超疏水性微纳复合结构分别提高了110%与60%;微纳复合结构显著增加了受热表面的气泡核化密度,而亲水性微纳复合结构的毛细吸液能力要显著强于疏水性微纳复合结构,是临界热流密度增大的主要机理。     

内疏外亲SiO_2气凝胶的制备及表征

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,无水乙醇为溶剂,硝酸为催化剂,氨水为凝胶剂,经溶胶-凝胶过程制备块状湿凝胶。再以三甲基氯硅烷(TMCS)为疏水改性剂,3-氨丙基三羟基硅烷为亲水改性剂对制备的湿凝胶进行改性处理,最后经超临界CO2干燥得到块体SiO2气凝胶。考察了亲水改性剂加入量分别为0、0.15、0.75、1.5、2.70 mL时对块体SiO2气凝胶亲水性的影响,并通过扫描电子显微镜(SEM)、接触角、吸水率、红外光谱(FT-IR)等对气凝胶进行表征。结果表明:所得气凝胶块体具有纳米多孔结构,内部疏水(最大接触角可达123°),表面亲水,试样亲水性随亲水剂用量的增加而增大;同一试样亲水性存在一定的梯度变化,亲水性由内到外逐渐增强。     

环境对改性塑料表面亲/疏水转变的作用机制

塑料制品因其质量轻、性质稳定等优点而得到广泛使用,但大部分废旧塑料未被合理回收而成为污染物,对环境造成了危害。因此,废旧塑料回收、再加工成为保护环境和资源利用的有效途径。而分离是废旧塑料能进行再加工的重要环节,目前已经发展了丰富的分离方法,其中塑料浮选法因具有工艺简单、污染少的特点而受到人们的青睐。但在塑料浮选中,其表面亲疏水性受环境的影响,该过程进一步恶化分离效果。为了避免分离过程的波动性,急需探究环境因素对亲疏水性的作用。基于此,本文选取了ABS、PC、PS三种废旧塑料,探究环境对浮选分离及表面亲疏水性基团重构的影响。结果表明：氧化改性后的ABS、PC、PS处于极性环境时,塑料可浮性基本未发生改变,接触角发生轻微浮动,表面仍保持亲水性。处于乙醇环境中,塑料可浮性上升,其接触角上升至75°左右,表面疏水性恢复速度大于极性环境。而在非极性环境中,塑料可浮性上升速度较快,表面完全恢复为未改性前的疏水性。在极性环境中,亲水基团更容易停留在表面,随着极性的减小,亲水基团逐渐迁移至本体,塑料表面恢复为疏水。因此,极性环境更有利于塑料表面保持亲水性。     

环氧树脂涂层表面亲水性对微藻黏附性能的影响（英文）

在固体材料表面黏附成膜是微藻细胞的一种生理特性。近些年基于微藻生物膜的生物过程,如生物膜贴壁培养和防附着技术受到了很多关注。微藻在固体材料表面的黏附受藻细胞与材料表面之间的相互作用的影响,建立黏附强度与材料表面性质参数间的关系对于通过材料选择来强化或控制微藻生物膜具有非常重要的意义。本工作的目的是揭示和明确材料亲疏水性对微藻黏附的影响,提出了一种双酚A环氧(EP)树脂表面亲疏水改性的方法。通过将亲水性的二乙醇胺(DEA)或疏水性的聚甲基聚硅氧烷(PMHS)加入到EP树脂中反应,EP树脂表面水接触角在36.80°～98.34°范围内可通过加入不同量的DEA或PMHS实现任意可调,材料的表面水接触角与DEA或PMHS加入量之间有线性关系。重要的是这种改性方法获得的材料,其形貌、结构、表面粗糙度等表面性质几乎没有变化,从而在研究和关联微藻黏附量与材料表面亲疏水性(表面水接触角)之间的关系时可以排除亲疏水性之外的其他表面性质的影响;其次,考察了小球藻和栅藻在不同亲疏水性材料表面的黏附行为,结果表明小球藻和栅藻在亲水性和疏水性材料表面均能黏附成膜,但在亲水性材料表面黏附更多更快;建立了微藻最大黏附容量与材料表面接触角之间关联关系,表明微藻最大黏附容量随材料表面水接触角的增大而线性降低,栅藻的表面黏附容量比小球藻大。     

石墨烯自清洁涂料制备与性能研究

探索石墨烯在涂料中的应用,拟提高涂膜的疏水性,通过溶液共混法制备石墨烯自清洁涂料。结果表明:涂料中加入石墨烯能够增大涂料涂膜的接触角,改变涂膜对水的浸润性。水性聚氨酯涂料加石墨烯改性后涂膜接触角能达到100°,由亲水涂料转变为疏水涂料;在硅酮涂料中加入石墨烯,接触角可明显提高,当石墨烯与硅酮固含量比为1∶20,接触角可达到145°,可作为疏水性自清洁涂料。     

壁面润湿性对微通道内Taylor流动特性的影响

壁面润湿性不仅影响着Taylor气泡的形状,同时对通道内流体流动、相变换热等有着关键的作用。采用VOF模型对T型微通道内气液两相Taylor流动进行三维数值模拟,重点研究了接触角改变对Taylor气泡流体动力学特性的影响。模拟结果与他人实验数据对比基本吻合,验证了模型的有效性。结果表明：随着接触角增大,气泡周围液含量逐渐降低,相界面也由外凸形变为内凹形。壁面越接近润湿（或疏水）状态,气液接触面的曲率就越大;当120°≤θ≤150°时Taylor气泡稳定性变差。当θ≥150°时“拖曳流态”出现,分析指出在大接触角下气体更易贴附壁面导致接触区内流场发生变化,形成的涡流减弱了水对气相的水平剪切作用,进而引起流型转变。接触角对通道内压力有着重要影响,通道中心轴向压力曲线以θ=90°为过渡,润湿状态下呈凸函数递减且p _G>p _L,疏水状态下气液进口处的压力分配改变,曲线趋势相反。     

不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟

对冷水滴撞击不同表面时的动力学行为和相变过程进行了模拟。通过耦合VOF和Level-set方法追踪气液自由界面,结合焓-孔隙度相变模型,模拟水滴撞击冷表面的动力学行为及相变特征。选取亲水（接触角30°）、疏水（接触角114°）和超疏水（接触角163°）3种典型浸润性的表面,计算了多种壁温条件下的水滴撞击结冰过程。结果表明提高表面疏水性,将减小水滴与冷表面的接触时间和接触面积,降低水滴内的相变速率,延缓水滴结冰的时间。在表面温度高于-15℃时,超疏水表面可以避免冷水滴的冻结黏附,保持表面洁净。将模拟得到的最大铺展直径、回缩速率以及冻结情况,与已有实验结果进行对比验证,表明了模拟方法的有效性和准确性。     

不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟

对冷水滴撞击不同表面时的动力学行为和相变过程进行了模拟。通过耦合VOF和Level-set方法追踪气液自由界面,结合焓-孔隙度相变模型,模拟水滴撞击冷表面的动力学行为及相变特征。选取亲水(接触角30°)、疏水(接触角114°)和超疏水(接触角163°)3种典型浸润性的表面,计算了多种壁温条件下的水滴撞击结冰过程。结果表明提高表面疏水性,将减小水滴与冷表面的接触时间和接触面积,降低水滴内的相变速率,延缓水滴结冰的时间。在表面温度高于-15℃时,超疏水表面可以避免冷水滴的冻结黏附,保持表面洁净。将模拟得到的最大铺展直径、回缩速率以及冻结情况,与已有实验结果进行对比验证,表明了模拟方法的有效性和准确性。     

多孔TiO_2/SiO_2复合薄膜的制备及其超亲水性机理

采用溶胶-凝胶法,以钛酸四丁酯和正硅酸乙酯为前驱体,利用乙酰丙酮和二乙醇胺为络合剂,制备多孔TiO2/SiO2复合薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)、接触角测试仪(WCA)等对薄膜的结构和性能进行了表征。结果表明,TiO2/SiO2复合薄膜表面相对孤立或连通的孔结构是由缩聚反应诱导的相分离以及溶胶-凝胶转化过程同步作用产生的。多孔复合薄膜具有优异的超亲水性能,自然条件下与水接触角仅为2.5°,而普通致密TiO2薄膜在相同条件下接触角为19.3°。复合薄膜的超亲水性是由多孔结构和SiO2复合的共同作用产生,受到表面微观形貌和表面化学组成(羟基含量)的共同影响。     

月桂酸改性氧化锌纳米颗粒的Pickering乳化性能研究

研究了不同程度月桂酸表面改性氧化锌纳米颗粒的Pickering乳化性能。通过调节月桂酸用量来改变氧化锌纳米颗粒表面亲疏水性(接触角θ),并探讨了不同接触角氧化锌纳米颗粒稳定的Pickering乳液的乳滴粒径、相转变及稳定性变化规律。结果表明,部分亲水的氧化锌纳米颗粒稳定(三相接触角40°～60°)的O/W型乳液具有最小的液滴尺寸和最优的稳定性。在最优条件下利用Pickering乳液聚合法制备了表面负载氧化锌纳米颗粒的有机硅弹性微球,粒径为5～20μm。     

具有耐久超疏水性的可降解聚乳酸膜的制备和自清洁性能研究

为了实现表面自清洁功能,材料通常需要进行疏水整理。但是,现有的疏水整理难以达到150°接触角的超疏水效果,且疏水效果很难持久,往往在使用或洗涤后迅速减弱。研究以可再生可生物降解的松香衍生物作为致孔剂,制备高表面粗糙度的聚乳酸微纳米多孔膜,随后使用十八烷基三氯硅烷进行纳米涂层,得到具有持久超疏水性和自清洁功能的聚乳酸疏水膜,水接触角最高为150.6°,具有自清洁功能。经过5个高强度的摩擦循环后,水接触角可以保持95%以上。     

非均匀润湿性微通道表面池沸腾换热特性

采用高温热氧化与表面改性技术并结合电火花线切割工艺在紫铜表面制备了3类非均匀润湿性微通道表面,微通道顶部接触角分别为8.6°、88.1°、156.1°,通道内部接触角为113.2°。经饱和池沸腾试验表明,具有超亲水性顶部(θ=8.6°)和超疏水顶部(θ=156.1°)的微通道表面临界热通量分别较紫铜表面(θ=88.1°)提高了61%和35%,最大传热系数分别提高了2.3倍和6倍。气泡动力学可视化研究表明:非均匀润湿结构能够显著抑制气泡的合并与团聚,使得气泡之间存在的间隙成为液体补充路径,这是临界热通量提高的主要机理。     

基于PP-B/EPDM热塑性硫化胶超疏水表面的构建与性能研究

用金相砂纸为模板,嵌段共聚聚丙烯/三元乙丙橡胶(并用比为50/50)热塑性硫化胶(TPV)为基体,构建模压TPV超疏水表面,并对其超疏水性进行研究。结果表明:模压TPV具有良好的超疏水性,疏水层厚度约为60μm;W5,W7和W10砂纸模压TPV表面与水的接触角大于150°且滚动角小于10°,符合超疏水表面要求;W10砂纸模压TPV表面的超疏水性最佳;Cassie空气垫模型表明,模压TPV表面的气-液界面的面积分数大于0.8,具有良好的超疏水性。     

纳米水滴在光滑壁面上润湿行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术,研究了纳米水滴在光滑壁面上的润湿行为规律。模拟结果表明,壁面宽度、厚度以及水分子数对接触角及汽—液界面厚度的影响不大。随着壁面作用势能的减小,接触角线性增大;当壁面作用势能为1.674 k J/mol时,接触角约为90°。随着温度的提高,汽—液界面厚度逐渐增大;疏水壁面的接触角随温度的提高而逐渐增大;对于中性壁面,温度对接触角影响不大;亲水壁面的接触角随温度的提高而逐渐减小。     

疏水性SiO2气凝胶常压干燥制备与表征

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,以NH4F为催化剂,实现了纳米多孔SiO2气凝胶材料的常压干燥制备,采用三甲基氯硅烷(TMCS)进行疏水改性,以减少样品在使用过程中的收缩和塌陷.结果表明:TMCS疏水改性的SiO2气凝胶样品的表观密度为0.191 g/cm3,导热系数为0.031 W/(m· K),比表面积为667 m2/g.SEM和TEM的测试结果表明,所得样品为纳米介孔材料.接触角的测定分析表明,TMCS疏水改性的SiO2气凝胶样品与水的接触角为147°,表现出良好的疏水性.400 ℃热处理后,气凝胶因失去大量的甲基基团,由疏水性变为亲水性.     

超疏水性铁基块体非晶合金的制备及表征

开发了一种简单的电化学腐蚀和硬脂酸分子自组装两步表面改性方法,制备了超疏水性Fe基块体非晶合金(Fe48Cr15Mo14B6C15Y2,at%)表面。利用XRD,SEM,激光共聚焦仪和接触角测量仪对非晶合金结构、表面形貌和润湿性进行表征发现:经过电化学腐蚀后,非晶合金表面出现微/纳米复合多孔结构腐蚀层.;再经过硬脂酸的四氢呋喃溶液化学修饰后,其接触角达到151°。分析认为复合多孔结构和低表面能硬脂酸修饰两方面因素共同作用实现了超疏水性。     

液滴撞击丝网渗漏影响因素及临界准则

捕沫器等化工气液分离设备中,液滴撞击丝网速度超过临界值,部分液体穿透多孔丝网形成子液滴、发生渗漏,将严重影响下游生产的性能与安全。通过可视化实验测量不同丝网表面液滴临界渗漏速度,讨论倾斜角度、丝网结构参数、液滴直径及表面浸润性等因素对临界渗漏速度的影响。液滴渗漏是法向动压力联合水锤压力克服网孔毛细压力的结果。法向动压力是动压力分量,与丝网倾角相关。液滴撞击丝网极短的瞬间,液体受到压缩,产生的水锤压力与液滴投影下的网孔数存在定量关系。毛细压力与气液界面在网孔间的位置及接触角相关。水锤压力及毛细压力均受丝网结构参数影响。通过网孔间气液界面受力分析,有机地整合渗漏影响因素,得到了渗漏临界量纲1准则。该准则与实验结果高度吻合,可为气液分离器设计提供参考。     

液滴撞击丝网渗漏影响因素及临界准则

捕沫器等化工气液分离设备中,液滴撞击丝网速度超过临界值,部分液体穿透多孔丝网形成子液滴、发生渗漏,将严重影响下游生产的性能与安全。通过可视化实验测量不同丝网表面液滴临界渗漏速度,讨论倾斜角度、丝网结构参数、液滴直径及表面浸润性等因素对临界渗漏速度的影响。液滴渗漏是法向动压力联合水锤压力克服网孔毛细压力的结果。法向动压力是动压力分量,与丝网倾角相关。液滴撞击丝网极短的瞬间,液体受到压缩,产生的水锤压力与液滴投影下的网孔数存在定量关系。毛细压力与气液界面在网孔间的位置及接触角相关。水锤压力及毛细压力均受丝网结构参数影响。通过网孔间气液界面受力分析,有机地整合渗漏影响因素,得到了渗漏临界量纲1准则。该准则与实验结果高度吻合,可为气液分离器设计提供参考。     

微通道壁面浸润性对气-液两相流的影响规律研究

通道壁面浸润性对微通道内的气-液两相流具有重要影响。利用等离子体辅助接枝改性,将甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（SBMA）及1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷接枝在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料表面,得到了10°、40°、70°和110°四种接触角的微通道,并考察了浸润性对流型、气泡长度和压降的影响。结果表明,随接触角增大,气泡截断位置下移,膨胀阶段缩短,挤压阶段变长;低流量时,气泡长度随接触角增加而增大,高流量时则减小;建立了与材料表面水接触角相关的气泡尺寸预测关联式,与Garstecki经典预测关联式相比,预测精度更高;θ<90°时,接触角增加,压降减小;θ>90°时,三相接触线使流动阻力和压降增加。