基于碳纳米管薄膜的柔性冷凝微滴自驱离功能表面研究

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冷凝现象广泛存在于自然界和工业生产中,传统材料表面上冷凝液的滞留,会引起表面腐蚀、结冰结霜、传热效率降低等问题,严重影响工业生产效率及设备稳定性。受冷凝自运输功能生物表面的启发,具有冷凝微滴自驱离(CMDSP)功能的新型超疏水表面可有效解决上述难题。然而目前此仿生表面均在刚性基底上构筑,柔性冷凝微滴自驱离功能表面仍鲜有报道。本文采用碳纳米管薄膜(CNTF)为柔性基底,利用电沉积方法在此柔性基底上制备仿生纳米结构,获得了冷凝微滴自驱离和防结冰功能;深入研究柔性、表面纳米结构及表面化学的协同对冷凝微滴自驱离行为调控及影响规律,理论结合实验揭示了结构-性能的构效关系,实现了柔性纳米结构表面的结冰延迟,在此基础上进一步研究了柔性光热和电热防结冰性能。上述研究获得的相关成果有助于促进柔性功能表面的发展以及碳纳米材料新应用的探索。本文研究的主要内容如下:(1)首先,利用数值模拟预测了三角锥形的顶端更易冷凝,基于上述模拟结果获得冷凝最优纳米结构为针锥形状,此结论用于指导后续实验中制备的纳米结构的形状;同时理论模拟还预测了在光照条件下,对比铜材料,CNTF具有超快的水蒸发特性,此结论用来设计获得后续实验中的光热防结冰功能。(2)接下来,实验中采用电沉积和化学浴法在CNTF表面构筑ZnO纳米针锥结构,制备了一种新型的基于CNTF的柔性超疏水表面,实现了冷凝微滴自驱离功能,其表面接触角可达~154°。CMDSP功能在柔性基底一千次弯曲后依然能够稳定存在。通过改变化学浴生长的时间调控纳米针高度及粗细,其中生长时间30 min下获得的ZnO纳米针锥表面的冷凝微滴的成核密度最大,驱离直径更小,自弹离频率更快。研究发现获得了针尖结构对CMDSP功能调控的构效关系,获得了具有最优CMDSP功能的柔性表面。(3)进一步,探索具有最优CMDSP功能表面的防结冰性能。这种功能薄膜在低温条件下无论是否在平坦的状态下都具有明显的优于表面无纳米结构的原始CNTF的防结冰性能,-5℃低温表面结冰延迟时间能够达到50 min左右。通过对薄膜表面的结冰过程的显微观察发现,具有纳米结构的薄膜通过冷凝微滴发生合并再脱离表面,从而延缓结冰时间。这说明紧密排列的纳米结构能够降低表面冷凝液的钉扎进而延迟结冰。(4)最后,继续探索最优CMDSP功能表面的光热防结冰和电热防结冰性能。所制备的功能薄膜具有优异的光吸收能力和较高的能量传递效率(76.71%)。该柔性CMDSP薄膜具有较强的光热防结冰/除冰性能。在4406 Lux光照下,即使在-5℃的低温条件下,结冰延迟时间也能够超过4 h,这种优异特性归因于其表面的微滴自驱离功能和基底碳纳米管薄膜的超快蒸发机制。
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