基于液滴弹跳现象的超疏水表面自清洁特性研究

【摘要】：超疏水表面的自清洁特性在实际生活中具有非常重要的作用。本文主要研究超疏水表面几种自清洁特性,包括对微小液滴的自清洁,对固体粉尘的自清洁以及对冷凝液滴的自清洁作用。这几种自清洁特性与液滴的反弹行为密切相关。液滴冲击超疏水表面后发生反弹现象,不仅仅可以阻止液滴润湿固体表面,同时液滴的铺展和反弹行为可以带走固体粉尘,对固体表面起到自清洁的作用。另外,一定的条件下,超疏水表面上的冷凝液滴可以发生自发弹跳现象,这种行为使超疏水表面获得了对冷凝液滴的自清洁能力。本论文着重研究水珠的反弹特性对自清洁的影响。针对上述超疏水表面的几种自清洁现象,具体做了如下的研究:首先,为了研究超疏水表面的自清洁性能,制备了环氧树脂微球薄膜。这种超疏水薄膜是通过涂料法制备的,制备过程非常简单,通过调节环氧悬浮液的静置时间,就可以得到疏水性能和机械性能都很好的超疏水表面。这种方法对基材没有限制,可大面积制备。通过水珠冲击实验可以发现,微小液滴冲击这种表面后发生反弹行为,使得该表面对微小液滴具有很好的抗润湿能力。其次,为了更好的了解几何结构对液滴自清洁能力的影响,第三章采用CFD模拟方法结合理论模型分析超疏水表面的结构效应。设计了六种微米级阵列结构,它们分别为三角形、四边形、五边形、圆柱形、十字交叉性以及圆球形阵列结构。为了进一步验证模拟方法的正确性,我们还建立了一个理论分析模型来预测水珠的最大铺展直径和最大下陷深度,并将预测结果和模拟结果进行了对比。这个理论模型可以预测液滴处于部分润湿状态时的最大铺展直径,这是对前人工作的补充和拓展。最后,从液滴的接触时间、可反弹的速度区间以及最大渗透深度三个方面来评判结构的抗润湿能力。结果发现,十字交叉形表面具有很好的自清洁能力,水珠在这种表面的反弹能力最强。对于同一种形状的结构阵列,在同样的抗湿压力条件下,柱子阵列越细,越密,获得的抗润湿能力越强。第三,利用第二章制备的环氧树脂微球薄膜研究液滴冲击过程清除粉尘颗粒的能力。在水珠冲击的条件下,研究固体表面的润湿性和粉尘特性对自洁性的影响。固体表面自洁性能的实现要满足两个条件:(1)固体颗粒能够粘附到冲击水珠的液-气界面上;(2)粘附颗粒后的水珠能够从固体表面脱离出去。本章节研究了液滴冲击和反弹行为对四种固体表面(超疏水、高疏水、疏水、亲水)和三种粉尘的(工地粉尘、室内粉尘、自制疏水粉尘)的自清洁能力。实验观察发现,水珠冲击倾斜壁面时,只有水珠后缘的液-气界面通过回缩行为才能带走固体颗粒。不同类型的粉尘颗粒以及不同润湿性的固体表面,它们之间相互作用的方式是不一样的,液滴清除粉尘的能力也是不同的。这些发现对于在不同实际情况下,成功实现自清洁的特性具有非常重要的意义。第四,为了能够实现太阳能电池表面的自清洁,透明超疏水涂层的制备至关重要。通过溶胶法制备了二氧化硅透明超疏水涂层(TSHSs),并且研究了这种涂层的抗粉尘粘附作用。这一章节设计了五个不同条件下的实验来研究涂层表面对粉尘的抗粘附作用。实验结果说明,涂层的表面能和粗糙度对粉尘粘附量都有影响,表面能越低,表面粗糙度越小,粉尘粘附量越少。当涂层表面为超疏水状态时,表面粗糙度对粉尘的粘附量的影响很小。在不同的环境下,TSHSs表面都能保持对粉尘的抗粘附性。最后,研究超疏水表面在冷凝条件下清除冷凝水珠的能力。从实验中可以发现,纳米结构铜表面比微米结构铝合金表面具有更好的抗结露和抗结霜能力,这与纳米级、微米级结构发生自发弹跳行为(SPJ)能力的强弱相关。纳米结构更有利于发生液滴的自发弹跳现象。通过硅溶胶低表面能改性方法,可以在普通粗糙结构上实现或者强化SPJ现象。这种表面改性方法比普通的低表面能改性方法更具优越性,可以使改性表面在高过饱和度冷凝条件下,一直保持超疏水性,冷凝水珠可以不断发生SPJ现象。因此,这种表面改性方法得到的表面具有非常好的延缓结霜的能力。

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