Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 仿生非均匀润湿性表面构建及其冷凝特性研究 | |
| 汪希奎 | |
| 出版年 | 2019 |
| 学位类型 | 博士 |
| 学位授予单位 | 东南大学 |
| 中文摘要 | 气-液相变引起的冷凝结露是自然界传质传热过程中普遍存在的现象。对气-液相变行为(如水蒸气滴状冷凝)的合理控制,是近年来集水、换热和脱盐等领域普遍关注的课题。在实际工程应用中需要气-液相变可在材料表面实现快速结露并及时脱附。超疏水表面能够实现快速脱附,但其形核能垒高,表面结露行为受到抑制,难以满足快速结露的要求;亲水/超亲水的表面形核率高、结露量大,但对液滴粘附力强,露滴易形成“水膜”且难以脱附。因此,如何保证高效结露并实现露滴快速脱附,是目前相关应用领域亟待解决的课题之一。本文基于沙漠甲虫及仙人掌等生物体凝露集水行为的启发,构建了具有亲水/疏水楔形硅柱阵列的图案化非均匀润湿性表面(硅柱顶面呈亲水/疏水性,其余表面呈超疏水性)。楔形亲水/疏水硅柱阵列的设计,不仅可以强化材料表面的冷凝形核与结露效果,而且水滴在楔形表面受到的拉普拉斯压力梯度能够促进露滴定向传输,提高凝露脱附效率。重点研究了水滴在楔形图案化非均匀润湿性表面的强化结露机理、露滴动态传输和定向脱附机理,并建立了相应的数学模型。在冷凝测试中,图案化非均匀润湿性表面产生的结露量与露滴脱附量均远高于均匀超疏水涂层,且在集水测试中可获得高达11862.2 g/m~2/h的集水率,相当于均匀超疏水涂层的11倍。以沙漠甲虫翅翘表面的集水结构为启发,采用无掩膜光催化技术制备了TiO_2-SiO_2非均匀润湿性复合涂层。结合TiO_2的光催化原理,采用紫外曝光的方式促进超疏水复合涂层中TiO_2表面的氟硅烷单分子层催化分解,获得具备亲水TiO_2以及超疏水SiO_2纳米颗粒的非均匀润湿性涂层。由于亲水TiO_2纳米颗粒的存在强化了表面形核结露效率,且露滴合并释放的表面能可以引发自驱弹跳,致使优化的非均匀润湿复合涂层不仅具有较高的形核结露效率,而且露滴脱附效率也较高。结果显示,优化涂层表面可获得高达1742.9 g/m~2/h的集水率,分别相当于TiO_2-SiO_2超疏水涂层的2倍及亲水铝片表面的5倍,起到了较好的强化集水效果。基于分子动力学原理,在陶瓷颗粒表面修饰亲水聚合物,并通过亲水颗粒杂化调控的方式,制备了具备超双疏(超疏水并且超疏油)特性的非均匀润湿性涂层。深入研究发现,采用SiC@PAA颗粒杂化调控的非均匀润湿性涂层,由于表面杂化有大量羟基,强化了涂层表面的形核结露效率,其结露量及水滴脱附量均明显高于均匀超双疏涂层,并可获得高达2742.7 g/m~2/h的集水率,相当于均匀超双疏涂层的2.6倍。进一步测试发现,上述非均匀润湿性涂层还具备较好的油/水自清洁效应和融霜脱附效果,有效解决了集水表面抗污能力较差的问题,为开发成本低、工艺简单、抗污能力强、融霜易脱附并利于规模化生产的高效集水材料提供了技术支持和理论依据。采用涂层修饰的方式制备了非均匀润湿性丝线。经集水测试发现,非均匀润湿性丝线的集水率可达1.77×105 g/m~2/h,相当于均匀超双疏丝线的4.7倍。进一步研究发现,水滴在非均匀润湿性丝线表面除了能够实现重力脱附及弹跳脱附之外,大水滴脱附还能引发丝线振动,致使水滴在惯性作用及丝线回弹作用等因素的影响下脱离丝线,有效提高了丝线表面的露滴脱附效率及集水效率。 |
| 中文关键词 | 仿生 ; 超疏水-超亲水 ; 结露 ; 脱附 ; 集水 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | TB306 |
| 来源机构 | 东南大学 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/337453 |
| 作者单位 | 东南大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 汪希奎. 仿生非均匀润湿性表面构建及其冷凝特性研究[D]. 东南大学,2019. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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