基于表面亲疏润湿阶跃效应的水下大气泡可控生成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于表面亲疏润湿阶跃效应的水下大气泡可控生成方法，具体步骤为：在亲水表面打1mm通孔

【技术实现步骤摘要】
基于表面亲疏润湿阶跃效应的水下大气泡可控生成方法


[0001]本专利技术涉及一种基于表面亲疏润湿阶跃效应的水下大气泡可控生成的方法。更特别地说，是指一种通过调节水下亲水表面上超疏水圆区域面积大小来控制水下生成气泡大小的方法。

技术介绍

[0002]水气两相流是一种非常典型的流动现象，而在水中的气泡就是分散在水中的气体。在自然界和日常生活中，水中的气泡扮演着非常重要的角色，同时展现出许多新颖的特性，在众多领域有着广泛的应用，比如污水治理、矿物浮选、水产养殖、工业清洗以及医疗保健等领域。目前有多种方式在水中产生纳米级(几十纳米)气泡和微米级(几微米到几百微米)气泡。而进行气泡在水中运动规律的研究时，为了便于观察与识别常选用毫米级的气泡，但现有的方法在水中能够产生稳定的毫米级气泡其直径在3mm以下，对于水中直径大于3mm的气泡还是难以稳定产生。
[0003]超疏水表面对水具有强烈的排斥作用，其在水下对气体有强烈的吸附作用，因此超疏水表面在水下会吸附一层气膜，而亲水表面在水下无法吸附气膜。在亲水表面部分区域制备超疏水表面，由于亲水表面与超疏水表面对气膜吸附性质的差异，在二者结合处会产生润湿阶跃效应，使得气膜被束缚在超疏水表面区域，无法向亲水表面区域铺展。

技术实现思路

[0004]为了解决目前难以在水中生成尺寸大于3mm，且稳定的气泡，本专利技术提出了一种基于表面亲疏润湿阶跃效应的水下大气泡可控生成的方法。本专利技术方法的具体步骤为：在亲水表面打1mm通孔
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以孔心为圆心制备不同直径的超疏水圆形表面
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通过1mm通孔向超疏水圆形表面注入空气
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超疏水圆形表面气膜增厚并脱附形成气泡。本专利技术方法通过调整超疏水区域的面积大小可以控制气膜能够覆盖的面积，进而控制其脱附后形成气泡的体积或直径。
[0005]本专利技术的一种基于表面亲疏润湿阶跃效应的水下大气泡可控生成方法，其包括有下列步骤：
[0006]步骤一，在基板上制作通孔；
[0007]采用机械钻孔工艺在基板(1)上打孔形成通孔(2)；
[0008]所述通孔(2)的直径为1mm；通孔间距记为b，且b＝8mm～24mm；
[0009]步骤二，以孔心为圆心制备超疏水圆形表面；
[0010]步骤21，上面板的粗糙化处理；
[0011]采用激光打标方法在带孔基板的上面板(3)进行粗糙化处理，得到粗糙上表面(5)的第一预制件(10)；
[0012]激光打标粗糙化工艺参数：激光功率为10W～18W，激光打标速度500mm/s～2000mm/s；
[0013]步骤22，粗糙上表面的低表面能化处理；
[0014]采用雾化喷涂工艺在第一预制件(10)的粗糙上表面(5)上喷涂上十七氟癸基三甲氧基硅烷，形成超疏水层(6)，得到第二预制件(20)；
[0015]雾化喷涂工艺：将1％浓度的十七氟癸基三甲氧基硅烷无水乙醇溶液雾化，在流量为1ml/min的条件下在粗糙上表面(5)进行喷涂；
[0016]步骤23，不同直径的超疏水圆形表面；
[0017]采用激光打标方法去除部分超疏水层(6)，留下以通孔(2)为圆心的不同直径的超疏水圆形表面(30A)，得到第三预制件(30)；所述超疏水圆形表面(30A)的直径为4mm～20mm；
[0018]激光打标制备超疏水圆形表面工艺参数：激光功率为6W～12W，激光打标速度1000mm/s～2000mm/s；
[0019]步骤三，气泡生成；
[0020]步骤31，将第三预制件(30)置于水箱(40)中，且超疏水圆形表面(30A)向上；
[0021]步骤32，在1mm的通孔(2)中置入针头，针头通过硅胶管与注射器连接，通过注射泵控制注射器注入空气的流速，实现向超疏水圆形表面(30A)输送气体并形成气膜，气膜在输入气压下脱落而生成单个气泡；制得的单个气泡的直径为3mm～9mm；
[0022]制泡输气工艺：注射器为10ml～100ml，注射泵控制空气流量1ml/min～20ml/min。
[0023]与现有水下气泡生成方法相比，本专利技术水环境中制备直径大于3mm气泡的方法具有如下的优点：
[0024]①
所用的设备方便，可以采用简单的注射泵就可以实现水下毫米级大气泡的生成。
[0025]②
气泡尺寸可调控，通过调整超疏水圆形表面的直径来调整水下气泡的直径，可以实现毫米级气泡尺寸的连续调控。
[0026]③
生成的气泡尺寸稳定，当超疏水圆形表面直径确定后，注射气流的流速在一定范围内变化，生成的气泡尺寸变化很小。
[0027]④
由于超疏水圆表面气膜脱附形成气泡时，气流注入速度较慢，气泡脱附时速度较低，对水中流场速度影响小。
附图说明
[0028]图1是本专利技术基于表面亲疏润湿阶跃效应的水下大气泡生成装置示意图。
[0029]图1A是本专利技术带孔基板的结构图。
[0030]图1B是本专利技术带孔基板的另一视角结构图。
[0031]图1C是本专利技术第一预制件的结构图。
[0032]图1D是本专利技术第二预制件的结构图。
[0033]图2是实施例1中微观粗糙结构为阵列条带的上面板粗糙化处理的光学3D照片。
[0034]图2A是实施例1中微观粗糙结构为阵列条带的上面板粗糙化处理的光学2D照片。
[0035]图2B是实施例1在不同时间下输入气体气泡脱离的过程图。
[0036]图2C是实施例1制得气泡结构的侧视图。
[0037]图3是实施例2中微观粗糙结构为阵列方柱的上面板粗糙化处理的光学3D照片。
[0038]图3A是实施例2中微观粗糙结构为阵列方柱的上面板粗糙化处理的光学2D照片。
[0039]图3B是实施例2在不同时间下输入气体气泡脱离的过程图。
[0040]图4是实施例3中微观粗糙结构为阵列条带的上面板粗糙化处理的光学3D照片。
[0041]图4A是实施例3中微观粗糙结构为阵列条带的上面板粗糙化处理的光学2D照片。
[0042]图4B是实施例3在不同时间下输入气体气泡脱离的过程图。
[0043]图5是经本专利技术方法制备得到的气泡与超疏水圆形表面的直径对应图。
[0044]1.薄基板2.通孔3.上面板4.下面板5.粗糙上表面6.超疏水层10.第一预制件20.第二预制件30.第三预制件30A.超疏水圆形表面40.水箱40A.进水导管40B.出水导管
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具体实施方式
[0045]下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。
[0046]在本专利技术中，如图1所示的生产毫米级大尺寸气泡的装置中，第三预制件30吊装在水箱40中，水箱40中有纯净水。纯净水淹没过第三预制件30的上表面的距离为5cm～50cm。
[0047]本专利技术的一种基于表面亲疏润湿阶跃效应的水下大气泡可控生成方法，包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于表面亲疏润湿阶跃效应的水下大气泡可控生成方法，其特征在于包括有下列步骤：步骤一，在基板上制作通孔；采用机械钻孔工艺在基板(1)上打孔形成通孔(2)；所述通孔(2)的直径为1mm；通孔间距记为b，且b＝8mm～24mm；步骤二，以孔心为圆心制备超疏水圆形表面；步骤21，上面板的粗糙化处理；采用激光打标方法在带孔基板的上面板(3)进行粗糙化处理，得到粗糙上表面(5)的第一预制件(10)；激光打标粗糙化工艺参数：激光功率为10W～18W，激光打标速度500mm/s～2000mm/s；步骤22，粗糙上表面的低表面能化处理；采用雾化喷涂工艺在第一预制件(10)的粗糙上表面(5)上喷涂上十七氟癸基三甲氧基硅烷，形成超疏水层(6)，得到第二预制件(20)；雾化喷涂工艺：将1％浓度的十七氟癸基三甲氧基硅烷无水乙醇溶液雾化，在流量为1ml/min的条件下在粗糙上表面(5)进行喷涂；步骤23，不同直径的超疏水圆形表面；采用激光打标方法去除部分超疏水层(6)，留下以通孔(2)为圆心的不同直径的超疏水圆形表面(30A)，得到第三预制件(30)；所述超疏水圆形表面(30A)的直径为4mm～20mm；激光打标制备超疏水圆形表面工艺参数：激光功率为6W～12W，激光打标速度1000mm/s～2000mm/s；步骤三，气泡生成；步骤31，将第三预制件(30)置于水箱(40)中，且超疏水圆形表面(30A)向上；步骤32，在1mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡楚江，乔帅，马明凯，潘翀，刘彦鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：