具有毛細結構和超級抽濕浸潤性能的陶瓷膜及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種陶瓷膜的制備方法及其應用，尤其涉及一種具有毛細結構及超級 浸潤抽吸性能的陶瓷膜的制備及其應用。
【背景技術】
[0002] 表面浸潤性是固體表面的一個重要特征，通常以接觸角來表征液體對固體的浸潤 程度。一般來說，固體表面與水的接觸角大于90°時，稱之為疏水表面;小于90°時，稱之為親 水表面。近年來，也有人提出以65°接觸角作為親水和疏水的界限。
[0003] 由于對液體良好的浸潤性，親水表面可廣泛應用于工業與生活中。比如水蒸氣凝 結在親水表面上時，容易展開為均勻連續的水膜，抑制孤立水滴的形成，能增強表面的抗霧 性和透明性，這在需要防止結霜和保持透明（如冰箱內壁、汽車的擋風玻璃等）的應用中很 重要。另外，空調的冷凝器散冷翅片在工作時，空氣中的水蒸氣會遇冷凝結在翅片間，形成 水珠。這不僅降低了翅片和空氣的熱交換面積，而且也增大了風阻，嚴重影響空調的制冷效 率。而在散冷翅片上涂布親水材料，可防止凝結時水珠的形成，減小風阻，維持較大的換熱 面積，從而提尚空調的能效。
[0004] 溶膠-凝膠法是制備無機親水涂層主要方法之一，反應可在較低的溫度下進行，過 程易調控，但該方法一般需要紫外光照射等方式才能獲得親水性。電化學方法(如電化學沉 積、陽極氧化等)也可用于制備無機親水涂層，但需要特殊的儀器設備，難以實現大面積表 面的制備。有機親水涂層多采用涂布的方法來獲得，容易實現大規模生產，但涂層的親水性 能不夠穩定，使用一定時間后會消失。
[0005] 上述親水表面的親水性能都是用接觸角來表征的，最常報道的接觸角大多為0 _ 30°之間。在目前論文及專利中，尚未見到一種親水表面具有毛細結構，能夠對水(或其它液 體)產生超級浸潤和抽吸作用。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于解決上述問題，提出一種具有毛細結構的陶瓷膜及其制備方法 與應用。
[0007] 本發明的目的通過以下技術方案來實現： 具有毛細結構和超級抽濕浸潤性能的陶瓷膜，所述陶瓷膜厚度為l〇nm~600μπι，所述陶 瓷膜包括一鋁化合物基底、附著于所述基底上的基膜層，所述基膜層為氧化鋁陶瓷層，所述 陶瓷膜為具有平均毛細管半徑為0.1-1.2mm的多孔膜，所述陶瓷膜親水表面能使單位質量 的水滴完全鋪開，形成面積不小于300 cm2/g的水膜;且親水表面能使水分子克服自身重 力，在垂直方向自行爬升的高度不小于3.0 cm。
[0008] 優選地，所述的具有毛細結構的陶瓷膜的制備方法，包括如下步驟， S1、基底預處理 S11、基底脫脂:將基材放入5%~20%的硫酸槽中，脫脂，3min~5min后取出；所述 基材為錯基材或錯合金基材； 512、 第一次水洗:用自來水反復沖洗鋁基材，保證鋁基材表面的PH值> 5 ; 513、 堿洗:將第一次水洗后的基材放入濃度為45kg/m3~55kg/m3,溫度為40°C~60 °C的氫氧化鈉溶液中，堿洗4min~8min; 514、 第二次水洗:用自來水反復沖洗鋁基材，沖洗2min~4min后取出； 515、 第三次水洗:用自來水反復沖洗鋁基材，沖洗2min~4min，待PH值>5后取出； 516、 陽極氧化:用堿性電解液、和酸性電解液以先后順序清洗氧化，促進金屬鋁基材表 面生成具有孔隙高，吸附能力強的氧化鋁膜，所述氧化鋁膜厚度為0.3~30μπι; 517、 第四次水洗:將經過陽極氧化的氧化鋁膜用自來水反復沖洗，沖洗2min~4min 后取出，再用去離子水沖洗lmin~2min ; 518、 干燥:取出經化學氧化后的鋁基材，經去離子水反復沖洗后干燥； S2、氧化鋁陶瓷層涂覆步驟； 521、 原料粉末準備;將α-氧化鋁、有機成孔劑、燒結助劑和其他批料組分按比例進行稱 量配比：所述氧化鋁質量百分比為60%- 70%，粒徑為5_30μπι，所述有機成孔劑質量百分 比為30%- 40%，粒徑為3- 35μπι;所述燒結助劑質量百分比為10%- 30%; 522、 原料混合:先將α-氧化鋁、有機成孔劑混合均勻后，再與燒結助劑和其他批料組分 混合:α-氧化鋁和有機成孔劑為70-90 %、所述燒結助劑和其他批料組分為10-30 %混合； 523、 混磨攪拌:在混合粉末中加入20-30粒直徑為5-12mm的氧化鋁陶瓷球或鋼球，在 混料機上混磨l_3h; 524、 成型：將混合原料裝入模具內進行低溫預熱成型，所述預熱成型溫度為180-250 °C； 525、 中溫燒結及成孔;將成型后的產品轉入中溫燒結爐內，加熱至600 °C，所述中溫爐 的加熱時間為2-3 h，保溫1-2 h，然后隨爐冷卻至100°C以下，最后從爐子中取出最后制得 的多孔陶瓷。
[0009] 優選地，所述的具有毛細結構和超級抽濕浸潤性能的陶瓷膜的制備方法，所述S16 的陽極氧化步驟中，所述電解液包括酸性電解液與堿性電解液，所述酸性電解液配比為：甲 酸質量百分比20~40%;草酸質量百分比30~50%;丙二酸質量百分比30~50%;硫酸鎳 質量百分比〇~10%，處理參數為:氧化電壓為20~80V，電流密度為2.0~3.5A/dm2,處 理時間為0.5~3h，處理溫度為10~25°C; 所述堿性電解液配比為:碳酸鈉質量百分比40~60%;鉻酸鈉質量百分比15~25%; 氫氧化鈉質量百分比2~5%;磷酸三鈉質量百分比0~1.5%，處理參數為:氧化電壓為5 ~35V，電流密度為1.0~2.5A/dm2,處理時間為5~60min，處理溫度為85~100°C。
[0010] 優選地，所述S24低溫成型中采用空氣循環爐或平板爐，所述空氣循環爐預熱成型 溫度為180_250°C，低溫成型時間為8-12min;所述平板爐預熱成型溫度為180-250 °C，低溫 成型時間為3-5 min。
[0011 ] 優選地，所述S12中的第一次水洗沖洗時間為2min~4min。
[0012] 優選地，所述S21中其他批料為分散溶劑。
[0013] 優選地，所述混料機為V型結構的混料機，所述混料速度為100-150 r/min。
[0014] 本發明制備的陶瓷膜具有超級浸潤，所述超級浸潤是指親水表面能使單位質量的 水滴完全鋪開，形成面積不小于300 cm2/g的水膜;且所述陶瓷膜具有抽吸作用，所述抽吸 作用是指親水表面能使水分子克服自身重力，在垂直方向自行爬升的高度不小于3.0 cm。
[0015] 本發明所述的陶瓷膜導熱系數用德國耐馳TCT426測得。取長寬各30cm的陶瓷膜并 將熱線與熱電偶插入兩片試樣間，接通2.0A加熱電流開始測試。得到升溫對時間的函數，由 此得出陶瓷膜的導熱系數為1.0 - 30 W/m.K，與鋁(或鋁合金基底)的整體導熱系數率可高 達200 W/m.K。陶瓷膜工作溫度高達600 °C，在干燥條件下的擊穿電壓高達DC 5000 V。該陶 瓷膜具有毛細結構，其平均毛細管半徑為0.1 - 1.2 mm，對液體能產生很強的毛細管作用 力，尤其是對水能產生超級浸潤抽吸作用。
[0016] 本發明所述的超級浸潤作用，是指在常溫常壓下，當一滴水(體積約為0.03 cm3; 質量約為0.03 g)滴落到本發明涉及的陶瓷膜上時（陶瓷膜為水平放置），水滴不能穩定存 在，而是自發地向四周擴散鋪展開，完全浸潤陶瓷膜表面，于數分鐘內在陶瓷膜上形成連續 均勻的水膜，水膜與陶瓷膜表面的接觸面積可高達40 cm2,也就是說，水膜與大氣的接觸面 積可高達40 cm2。概括而言，單位質量的水滴在陶瓷膜上鋪開形成水膜后，水膜的厚度最薄 可達7.5 μπι/g，其與大氣的接觸面積在300 - 1333 cm2/g之間。陶瓷膜對其它液體也有類 似超級浸潤作用。
[0017] 本發明所述的陶瓷膜超級抽吸作用，是指在常溫常壓下，當把陶瓷膜垂直浸入水 中時，由于陶瓷膜毛細管的抽吸作用，水能夠克服自身的重力，沿著陶瓷膜向上爬升，爬升 高度一般高于液面3.0 - 12.0 cm。陶瓷膜對其它液體也有類似超級抽吸作用。
[0018] 本發明的有益效果主要體現在:本發明利用電化學氧化和漿料涂覆相結合的方法 在鋁(或鋁合金)表面制備了具有毛細結構的陶瓷膜，該陶瓷膜導熱性能好，熱穩定性高，尤 其是對水（等液體)具有超級浸潤和抽吸作用。這些作用拓展了現有親水材料的特性和功 能，并為親水材料開辟了新的應用領域，如制冷降溫、海水淡化、以及電子元器件的導熱散 熱等。
【附圖說明】
[0019] 下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明： 圖1:基于陶瓷膜的制冷器結構圖，此時隱藏掉了制冷器的翅片。
【具體實施方式】
[0020] 在本發明中，除了可以在箱、片、板等形狀的鋁（或鋁合金)平面基底上制備陶瓷 膜，也可在鋁(或鋁合金)絲線等非平面結構上制備得到陶瓷膜，陶瓷膜應用于各種場合。對 于基底的形狀并無特殊限制。
[0021] 由于陶瓷膜的超級浸潤功能，水滴在陶瓷膜上形成水的膜與空氣的接觸面積高達 300 - 1333 cm2/g，即水膜與陶瓷膜和空氣的熱交換面積大，因此水膜很容易從環境吸熱 蒸發，由液體變為氣體。同時由于水膜的厚度非常薄(最薄可達7.5 μπι/g)，在厚度方向的溫 度梯度小，這有利于水膜的快速吸熱和快速蒸發。再者，陶瓷膜有良好的導熱性能，水吸熱 蒸發后，陶瓷膜及鋁(或鋁合金)基底的溫度迅速降低，因此陶瓷膜可首先應用于制冷降溫。 陶瓷膜用于制冷降溫的優點是節約能源，效率高以及簡單方便。 陶瓷膜對水的超級浸潤性能測試 制備寬度約為10.0 cm的以鋁箱為基底的陶瓷膜，當用滴管往陶瓷膜上滴一滴水時(質 量約為0.03 g，體積約為0.03 cm3)，水滴不能穩定存在，而是在Is內鋪開形成直徑約為2.0 cm的水膜。此水膜繼續擴散，過了32 s后，直徑增大到了5.2 cm。當上述水膜繼續擴散，在60 s后，直徑增大到了6.3 cm。此時液膜與陶瓷膜的接觸面積約為30.2 cm2,所對應的單位質 量接觸面積為996.6 cm2/g，單位質量水膜厚度為10.0 μπι/g。
[0022]陶瓷膜毛細管半徑計算 將一片長為20 cm、寬為5 cm陶瓷膜垂直浸入水中2 cm，長度方向保持與水面垂直，有 18 cm的陶瓷膜高于水面，由此觀察水沿著陶瓷膜表面的倒吸現象。60 min后，發現水在垂 直方向的倒吸高度為h=12 cm。根據公式~^計算陶瓷膜內毛細管的平均半徑r，所述 公式中a=72.8 mN/m