一种具有超疏水表面的泡沫铜的制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种具有超疏水表面的泡沫铜的制备方法及其应用，属于多孔泡沫金属领域。

背景技术：

泡沫金属作为一种新兴多孔材料，具有孔隙率高、密度小、强度高、导热系数高等优点，因而在传热方面，尤其是强化沸腾或者强化冷凝等传热领域，具有较大优势，同时多孔泡沫金属的孔径范围在10μm～5mm之间，不同尺度范围的孔径结构则适用于不同的应用范围；然而，泡沫金属强化传热的同时增加了流动阻力。在冷凝过程中，膜状冷凝传热效率低于滴状冷凝，而冷凝物的形成与固体表面的润湿性密切相关，疏水表面可以使得产生的液滴有效去除，从而提高传热性能。因此，可以考虑改变泡沫金属的润湿性，以优化两相换热过程。

润湿性是材料表面的重要特征之一。影响材料表面润湿性的主要因素有：材料表面能、表面粗糙度以及表面微/纳米结构。表面润湿性通常用接触角θ来衡量，超疏水表面的水接触角超过150°，滚动角低于10°。理论研究和实验证明，接触角随着表面能的降低而增加，随着表面粗糙度的增加而增大，而表面微/纳结构对润湿性具有重要的影响，因此，低表面能材料、表面适当粗糙化以及微纳米双重结构的有机结合，是制备超疏水表面的有效途径。常用的低表面能材料是有机硅和氟树脂以及其相应的改性树脂，如硅氧烷等；常用的表面粗糙化和微/纳结构的制备方法有模板法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、电化学沉积法、化学刻蚀法、粒子填充法等，现有技术需要的设备和步骤较为复杂，耗时较长。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种具有超疏水表面的泡沫铜的制备方法及其应用，该方法通过化学氧化法在泡沫铜表面生成双尺度微/纳米结构，进而将处理后的泡沫铜氟化从而显示出超疏水性能。

技术方案：本发明提供了一种具有超疏水表面的泡沫铜的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)泡沫铜表面氧化：将待处理的泡沫铜放入k2s2o8/koh混合溶液或者h2o2/hcl混合溶液中，在50～70℃水浴下，反应充分后用蒸馏水冲洗、吹干备用；

2)泡沫铜表面化学修饰：将步骤1)处理后的泡沫铜放入氟硅烷乙醇溶液或者硬脂酸乙醇溶液中，在室温下浸泡，反应充分后取出烘干，得到具有超疏水表面的泡沫铜。

其中：

所述待处理的泡沫铜的孔径为0.2～0.4mm。

所述待处理的泡沫铜通过电沉积法制备，且表面没有被氧化。

所述的k2s2o8/koh的混合溶液中k2s2o8与koh的摩尔浓度比为0.022:1～0.026:1；所述的h2o2/hcl混合溶液中h2o2的质量分数为0.4～0.6wt％，hcl的摩尔浓度为1.8～2.2mol/l。

所述的氟硅烷乙醇溶液中氟硅烷的质量分数为0.8～1.2wt％，所述的硬脂酸乙醇溶液中硬脂酸的摩尔浓度为4～6mmol/l。

步骤1)所述的反应的时长为60～90min。

步骤2)所述的反应的时长为60～90min。

本发明还提供了一种具有超疏水表面的泡沫铜的应用，该泡沫铜应用于蒸汽冷凝器中，有效去除冷凝产生的液滴，强化传热传质。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)该具有超疏水表面的泡沫铜的制备方法简单、易于实施、耗时短；

(2)该方法通过化学氧化法在泡沫铜表面生成双尺度微/纳米结构，进一步提升泡沫铜的比表面积；

(3)本发明中具有超疏水表面的泡沫铜可以应用在蒸汽冷凝器中，可用于强化传热传质。

附图说明

图1为实施例1中待处理的泡沫铜表面扫描电镜图片；

图2为实施例1中制备的具有超疏水表面的泡沫铜的超疏水表面低倍扫描电镜图片；

图3为实施例1中制备的具有超疏水表面的泡沫铜的超疏水表面高倍扫描电镜图片；

图4为实施例2中制备的具有超疏水表面的泡沫铜的超疏水表面高倍扫描电镜图片；

图5为实施例1中制备的具有超疏水表面的泡沫铜的超疏水表面水滴接触角测量图；

图6为实施例2中制备的具有超疏水表面的泡沫铜的超疏水表面水滴接触角测量图。

具体实施方式

一种具有超疏水表面的泡沫铜的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)泡沫铜表面氧化：将ppi100或ppi130即孔径0.2mm或0.4mm的泡沫铜放入k2s2o8/koh的混合溶液或者h2o2/hcl混合溶液中，在50～70℃水浴下，反应60～90min后用蒸馏水冲洗，吹干。

(2)泡沫铜表面化学修饰：将处理后的泡沫铜放入氟硅烷乙醇溶液或者硬脂酸乙醇溶液中，室温下浸泡，反应60～90min后取出烘干，得到具有超疏水表面的泡沫铜。

实施例1

将ppi100的泡沫铜(如图1)放入0.065mol/l的k2s2o8和2.5mol/l的koh的混合溶液中，60℃水浴下，反应60min后用蒸馏水冲洗，吹干；随后将处理后的泡沫铜放入0.8wt％氟硅烷乙醇溶液中，室温下浸泡，反应60min后取出烘干，得到具有超疏水表面的泡沫铜。

处理后的泡沫铜表面覆盖了一层树叶状厚度10～20nm的纳米片(如图3)，还有部分纳米片簇拥在一起，形成直径4～5μm的球状结构(如图2)，大量空气困在该微纳米结构中，能够有效的阻止液体渗进细槽，使得液体与固体的接触面积减小，从而接触角能达到150°以上(如图5)。

实施例2

将ppi130的泡沫铜放入0.055mol/l的k2s2o8和2.5mol/l的koh的混合溶液中，50℃水浴下，反应70min后用蒸馏水冲洗，吹干；随后将处理后的泡沫铜放入1.2wt％氟硅烷乙醇溶液中，室温下浸泡，反应90min后取出烘干。

比较ppi不同的两个样品，可以发现，ppi大的泡沫铜表面的纳米片(如图4)分布更加密集，水滴接触角也更大(如图6)。

实施例3

将ppi130的泡沫铜放入h2o2/hcl混合溶液中，其中h2o2的质量分数为0.4wt％，hcl的摩尔浓度为1.8mol/l，70℃水浴下，反应80min后用蒸馏水冲洗，吹干；随后将处理后的泡沫铜放入1wt％氟硅烷乙醇溶液中，室温下浸泡，反应80min后取出烘干。

实施例4

将ppi130的泡沫铜放入h2o2/hcl混合溶液中，其中h2o2的质量分数为0.6wt％，hcl的摩尔浓度为2.2mol/l，60℃水浴下，反应75min后用蒸馏水冲洗，吹干；随后将处理后的泡沫铜放入4mmol/l的硬脂酸乙醇溶液中，室温下浸泡，反应60min后取出烘干。

实施例5

将ppi130的泡沫铜放入0.052mol/l的k2s2o8和2mol/l的koh的混合溶液中，60℃水浴下，反应90min后用蒸馏水冲洗，吹干；随后将处理后的泡沫铜放入6mmol/l的硬脂酸乙醇溶液中，室温下浸泡，反应70min后取出烘干。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种具有超疏水表面的泡沫铜的制备方法及其应用，制备步骤如下：1)将待处理的泡沫铜放入K2S2O8和KOH的混合溶液中，水浴加热条件下充分反应后用蒸馏水冲洗，吹干；2)将步骤1)处理后的泡沫铜放入氟硅烷乙醇溶液中，室温下浸泡充分反应后取出烘干，得到具有超疏水表面的泡沫铜。该方法处理后的泡沫铜表面覆盖了一层树叶状的纳米片，部分纳米片簇拥在一起，形成球状结构，大量空气困在该微/纳米结构中，能够有效的阻止液体渗进细槽，从而接触角能达到150°以上，滚动角低于10°。该方法制备的泡沫铜可以应用在蒸汽冷凝器中，有效去除冷凝产生的液滴，强化传热传质。

技术研发人员：施娟;贾曦;陈振乾
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2017.10.31
技术公布日：2018.04.10