[发明专利]超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用

说明书

技术领域

本发明属于功能材料及流体输运技术领域，具体涉及一种超疏水铜锥的制备方法，可用于水下气体的精确调控，解决了气泡在产生和上升的过程中体积很难调控的难题，同时也提供了一种新型的压力感应器。

背景技术

水中气泡的存在具有很广泛的用途，如食品工程，有用矿物浮选和水下船舶减阻。但是，在几乎所有的应用中，气泡的尺寸控制是很重要的。在食品工程方面，气泡的尺寸将会影响饮料的口感。香槟的口感优于含气葡萄酒主要是因为前者中气泡的尺寸小于后者。在有用矿物浮选方面，对于微米级以下的粒子，超小的气泡可以直接增大浮选回收率。但是，在减阻方面，当气泡的尺寸比较大的时候表面摩擦减阻可以持续比较长的距离。即大气泡在船只减阻方面更有效。

但是，控制气泡的尺寸却具有很大的挑战。气泡在液体中产生的过程中，气泡的尺寸将会受到许多影响因素。如：气体和液体流速、微孔的结构和尺寸以及液体的物理性质(包括表面张力、黏度和流变特性)。气泡在液体中的上升过程中，它会由于浮力而上升并最终在水面爆破。在这个过程中，气泡的尺寸将会受到静水压和温度的影响。

因此，直接控制气泡的尺寸是具有很大困难的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种超疏水铜锥的制备方法，并将其用于水相中气体的精确调控。根据毛笔的锥状结构能实现调控液滴并持续可控地转移至纸上，本发明将锥状结构应用于对水下气体的调控。本发明采用梯度电化学腐蚀的方法，制备出铜锥，并用超疏水SiO₂纳米粒子溶液对其进行化学修饰，得到超疏水铜锥。其对水的接触角可以达到160.5°。超疏水铜锥可实现水下气体的精确调控。此外，超疏水铜锥对气泡的调控，也可以应用于制备新型压力感应器。

所述的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用具体包括以下步骤：

(1)铜丝预处理：将直径为1mm的市售铜丝用P1500的砂纸打磨，并依次用氢氧化钠、盐酸、乙醇、丙酮、去离子水超声冲洗15min，之后用氮气吹干待用。

(2)铜锥的制备：将(1)中铜丝浸在盛有50mL浓度为0.1mol/L硫酸铜溶液的小玻璃槽中，将其作为阳极，用铜片作为阴极，电解电压为10V，将小玻璃槽固定在升降台上(升降速度为1.0mm/s)，约300次循环过后，铜锥就形成了。其中，升降台一升一降为1次循环。

(3)超疏水铜锥的制备：将(2)中制备的铜锥用0.1mol/L的盐酸和去离子水依次清洗，用氮气吹干。接着用超疏水SiO₂纳米粒子溶液对铜锥进行梯度修饰，从而就成功地制备了超疏水铜锥。其中梯度修饰为将锥垂直插入超疏水SiO₂纳米粒子溶液中，然后垂直移出。

本发明中超疏水SiO₂纳米粒子溶液为将0.2gSiO₂纳米粒子溶于PMMA浓度为5g/L的CHCl₃中制得的溶液。

(4)超疏水铜锥调控水下气体：将(3)中成功制备的超疏水铜锥的底端固定于一个2*2*2cm的铁架上，并将其置于一个5*5*5cm的石英槽中，石英槽中盛有去离子水。用注射泵以5mL/h的速度往锥的表面注射气泡，制得悬挂着气泡的超疏水铜锥装置。

(5)将上述超疏水铜锥装置应用于压力感应器：将悬挂着气泡的超疏水铜锥装置(4)，置于真空干燥器中，用油泵降低此装置内部压力。

本发明的优点在于：

1、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，制备方法简单，原料易得，成本低。

2、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，可用于水下气体的精确调控，在生产、环保等领域具有广泛用途。

3、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，其超疏水铜锥对水的接触角为160.5°，对气的接触角为0°，达到了超疏水超亲气的要求，为实现超疏水材料的制备提供了另一种可能。

4、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，可实现超疏水铜锥不同位置悬挂不同体积的气泡，且锥的尖端悬挂的气泡体积是最大的。

5、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，该方法利用超疏水铜锥的锥形结构所产生的拉普拉斯压力为抵抗气泡离开的拉力，气泡本身的浮力为拖拽力，当两者达到力的平衡时，气泡稳定地悬挂在铜锥上。这样，就提供了一个稳定的气液界面，值得提倡。