[发明专利]一种具有纳米级亲水位点的超疏水表面的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有纳米级亲水位点的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：(1)炭黑沉积；(2)气相沉积；(3)煅烧；(4)超疏水表面制备；(5)引入纳米级亲水位点。本发明通过在蜡烛灰为模板的纳米二氧化硅超疏水表面上引入尺寸较小的纳米级亲水位点，来解决冷凝液滴不易在普通超疏水材料表面脱附的问题。纳米SiO₂颗粒相互堆积形成分型网络结构，低表面能处理以后，获得粘附力极低的超疏水表面。将表面涂层的SiO₂颗粒剥离，相互接触SiO₂颗粒界面发生断裂，就得到了大量的高密度纳米级亲水位点。本发明成本低廉，适合大面积制备，在冷凝传热、海水淡化和水收集等领域中具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及亲水位点制备技术领域，具体涉及到一种具有纳米级亲水位点的超疏水表面的制备方法。

背景技术

气-液冷凝是蒸汽在表面凝结的一种自然现象，在工业领域应用十分广泛，可用于换热、发电、海水淡化和水收集。冷凝换热主要有两种形式：膜状冷凝和珠状冷凝。膜状冷凝是冷凝液体在表面形成不可移动的液膜，尽管成核快，成核密度高，但液膜的热阻大，导致传热效率降低。而相对于膜状冷凝，珠状冷凝主要发生在疏水或超疏水表面，且在这种表面上孤立的凝结液滴可以很容易地去除，能够显著提高传热和传质性能。因超疏水表面粘附极低，冷凝液滴可在更小的尺寸合并弹离或靠重力脱离表面，大大增加冷凝液滴的去除效率，促进了珠状凝结的传热效率。然而，超疏水表面的成核能垒远高于亲水表面，液滴成核密度严重下降，限制了传热效率的进一步提升。因此，研究者们认为，一个高效的冷凝换热表面需要同时具有成核能垒低密度高，液滴容易去除等特点，这就需要结合可润湿表面利于液滴成核、超疏水利于液滴去除的特点。

而近年来已有一些研究报道了将亲水位点和超疏水位点相结合的超疏水表面，取得了不错的冷凝传热效果。例如，表面具有纳米线的金字塔微结构，底部亲水，顶部超疏水，亲水区域的存在促进了液滴的成核和生长，超疏水区域促进了自发的液滴脱离而不残留在基体上，结构之间的协同合作直接促成了成核、聚结、分离和再成核的连续过程，从而达到长时间内持续的珠状凝结。然而理想的冷凝换热表面应能尽早、迅速地脱落凝结液滴，并具有大量的成核位点，使液滴能快速形核和生长，从而实现连续的冷凝。已报道的具有纳米位点的超疏水表面表面存在两个较为普遍的问题：1)亲水位点尺寸较大(约几十微米)，导致粘附力较强，液滴需要在较大尺寸才能脱离；2)亲水位点密度较低，使冷凝过程中成核位点密度不够，难以提升冷凝效率；3)制备方法复杂，不易大面积制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有纳米级亲水位点的超疏水表面的制备方法，通过简单的方法在超疏水表面上创造出纳米级的亲水位点，同时保持了超疏水性，使表面具有低的粘附力，液滴容易从表面脱离。

为达上述目的，本发明提供了一种具有纳米级亲水位点的超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

(1)炭黑沉积

将硅片抛光面于蜡烛火焰内外焰之间来回晃动30-60s；

(2)气相沉积

再将步骤(1)所得硅片于四乙氧基硅烷和浓氨水空气氛围中抽真空后静置；

(3)煅烧

将步骤(2)处理后的硅片取出后煅烧并保温后降至室温，制得纳米SiO₂表面；

(4)超疏水表面制备

将步骤(3)所得纳米SiO₂表面进行清洗，再于全氟十二烷基三氯硅烷氛围中抽真空后静置，制得纳米SiO₂超疏水表面；

(5)引入超疏水复合表面

采用物理方法除去纳米SiO₂超疏水表面部分涂层，制得具有纳米级亲水位点的超疏水复合表面。