超疏热液表面的规模化构建及其应用研究

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蒸发-凝结是自然界中常见的现象之一,其本质是热蒸汽与冷表面接触时热量转移导致的气-液相变行为,给人类社会的生活和生产带来诸多不便,例如结露、结霜、结冰、烫伤、结垢和污损等。通过超疏水表面的可控构建来有效降低表面的气-液相变行为被广泛研究,但是,由于热液的高通量蒸发-凝结行为,导致表面的超疏热液能力依然极其有限。因此,通过超疏热液表面的可控构建来有效解决烫伤和结垢等问题已经成为表面防护领域的重要课题之一。本论文提出在各种固体表面上通过构建微-纳二元协同结构来实现超疏热液的通用策略,通过建立Cassie-Baxter模型和蒸发-凝结模型揭示了纳米结构的本征润湿作用和微米结构的冷凝物承载作用对表面热液排斥的协同机制,并以此为基础在织物和刚性基材上实现了超疏热液特性的规模化构建,阐述了超疏热液表面在防烫伤、防结垢和自清洁等方面的应用优势,为热液侵蚀环境下的表面防护应用提供了新策略,具有重大的发展与应用前景。具体研究内容与结果如下:(1)通过低表面能修饰技术和一步喷涂法在典型微米结构(2D-钢丝网格、3D-泡沫金属和平面砂粒阵列)表面构建微-纳二元协同结构,不同温度液滴的静态和动态润湿性表明,高温液滴(95℃水或150℃油)在微-纳二元协同结构表面保持优异的Cassie态,而在单一微米结构和单一纳米结构表面转变为Wenzel态。通过Cassie-Baxter润湿模型与蒸发-凝结模型的建立,论证了微-纳二元协同结构表面超疏热液的关键是基于纳米结构的本征润湿和微米结构的冷凝物承载的协同作用,为普适化构建超疏热液表面提供了理论基础和技术指导。例如,以泡沫铜和碳修饰的纳米SiO2构建的微-纳二元协同结构展现出超疏热水-超亲油特性,在经历热水-热油分离20个周期后仍能保持98%以上的分离效率;以泡沫混凝土和氟修饰的纳米SiO2构建的微-纳二元协同结构展现出超疏热水-热油特性,在沸水中蒸煮72 h后的增重率仅为原泡沫混凝土的36%。(2)采用浸轧-喷涂法分别在8种具有代表性的织物上制备出超疏热液表面。其在保持优异的透气性能基础上还展示出优异的耐热液/热蒸汽稳定性、机械耐磨性和防腐蚀性,为长期防护使用奠定了基础。在经过30 min的热蒸汽注入处理后,超疏热液实验服的增重率仅为原始实验服的32%;在经过20 min的浓硫酸侵蚀或12 h王水侵蚀后,绝大部分的超疏热液织物仍旧维持其优异的热液排斥特性,即热水/热油的滚动角低于10°。在无应急反应防烫测试中,超疏热液织物背面超过60℃的时间分别为0.00 s(窗帘)、0.00 s(实验服)、0.00 s(婴儿围兜)、4.17 s(牛仔布)、0.00 s(无纺布)和4.00 s(睡衣);同时在具有应急反应防烫测试中,超疏热液织物内部超过60℃的时间分别为1.70 s(棉手套)和1.80 s(细纱手套),以上所有温度均低于烫伤标准(超过60℃的时间大于5 s)。证实了超疏热液织物在很大程度上减少了热液烫伤和化学烫伤的发生概率,同时明显减轻了烫伤程度,很大程度上缓解了由烫伤带来的生理疼痛、心理阴影、经济损失等问题。(3)利用环氧树脂和微米级SiO2颗粒制备出Epoxy@SiO2复合底漆,均匀喷涂于表面得到微米级的粗糙结构,随后采用氟修饰的链状SiO2纳米颗粒构建出氟修饰的微-纳二元协同结构,其展现出优异的热液排斥性。在集成高温稳定性、机械耐磨性和化学稳定性的同时,还具备优异的防结垢特性和自清洁特性。在经过30次胶带剥离、超声处理30 min、水冲30 min、沸水蒸煮720 min、开放条件下热蒸汽注入720min、封闭条件下热蒸汽注入180 min、浓硫酸侵蚀20 min以及王水侵蚀720 min后,表面仍旧维持优异的热液排斥性能,95℃水和150℃油的滚动角均小于10°。同时从快速结垢实验结果可以发现,经过5次快速结垢试验后,原始样品、单一纳米结构和增强性纳米结构的质量变化分别高达10.32 g/m~2、10.23 g/m~2和10.58 g/m~2,而对于超疏热液复合涂层,表面的质量变化约为0.00 g/m~2。此外,在经过12 min的热蒸汽处理后,超疏热液复合涂层仍旧洁净如初。
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