[发明专利]一种实现有机蒸汽滴状冷凝的方法

说明书

本发明属于防止在金属换热表面上形成膜状冷凝的一种方法。

滴状冷凝是一种高效换热方式，其传热系数是膜状冷凝传热系数的几倍至几十倍。按冷凝物的性质划分，一般分为水蒸汽滴状冷凝和有机蒸汽滴状冷凝。由于有机物质的表面张力比水低很多，内聚力弱，因此实现有机蒸汽的滴状冷凝比实现水蒸汽滴状冷凝要困难得多。

要在金属表面上实现滴状冷凝，必须降低其表面能。目前实现有机蒸汽滴状冷凝的方法一般都是采用在金属表面上涂覆聚四氟乙烯薄层。据已查到的文献，到目前仅实现了几种表面张力相对较大的有机物-乙二醇、苯胺和硝基苯的滴状冷凝。

1.Topper，L.and  Baer，E.，J.Colloid  Sci.，10（1955）225;

2.棚泽一郎，日本机械学会论文集（B编），48卷429号，（1982）833。

采用涂聚四氟乙烯方法实现滴状冷凝最大缺点是涂层热阻大，强化传热效果不明显。此外此法对表面张力相对较低的有机物，如乙醇等均不能实现滴状冷凝。

本发明的目的是提供一种实现有机蒸汽滴状冷凝的方法，以解决现有方法存在的问题。

本发明的主要特征是在金属表面上制备具有低表面能的奇数层单分子膜，

1.具有低表面能的奇数层单分子膜

奇数层单分子膜的结构特征是：分子规则排列，紧密并行地直立于金属表面上。分子亲水端朝向金属表面，疏水端朝向气相。膜层厚度等于单个分子链长度乘以层数。这种分子排列结构表面能最低。

能显著降低金属表面能的表面活性物质的主要特征是：分子的非极性端（疏水端）含有-CF₃，-CF₂H或-CH₃基团，如全氟月桂酸，硬脂酸钡等。

在金属表面上，用含有上述基团的表面活性物质来制备上述分子排列结构的奇数层单分子膜，能最大限度地降低金属表面能。

2.具有低表面能的奇数层单分子膜的制备技术

Langmuir-Blodgett（简称L-B）制膜技术用于制备具有低表面能奇数层单分子膜。

先对要拉膜的金属表面进行抛光，光洁度为V12;再用丙酮进行清洗，除去表面上污物;然后将其浸泡在酒精-乙醚混合液中（1∶1），在超声清洁器里做超声清洗，五分钟后取出，在红外灯下烘烤五分钟。

将配制好的表面活性物质溶液（溶剂一般是苯，溶液浓度为5×10^-4M左右），滴在L-B拉膜装置的水面上，滴入量能保证拉膜需要就可以了。待溶剂苯完全挥发后，将浮板放开，浮板向前运动，自动停止。此时，在浮板前面即有一层致密的单分子层覆盖于整个水面上，其厚度即为分子链长度。（溶质分子在水面上漂浮后，需对其施加一恒定而适当的表面切向压力，才能形成致密的单分子层，此时，分子以最近距离的方式互相紧密地排列在一起。当分子间距较大时，分子之间无相互作用，当间距小到一定程度时，互斥力突然起作用，再增大表面切向压力或膜压，每个分子所占面积也减少甚微。此时分子已处于紧密排列的方式。对不同的分子，形成致密单分子层时所需膜压有些差别。当膜层提取时，即水面上部分致密单分子层转移到试件表面上时，应使膜层覆盖的水面自动，同步地缩小，以保持膜压不变，膜层始终为一层致密的单分子层。近代L-B拉膜装置一般都有测膜压系统，并用计算机控制在拉膜过程中膜压维持恒定。较简单的L-B拉膜装置是用一通过滑轮挂有重锤的浮板来维持膜压恒定。小锤重力等于浮板运动摩擦力和当分子形成一层致密单分子层时浮板对膜层的表面切向压力之和。分子形成一层致密单分子层时对应的表面切向压力或膜压可由膜天平很方便测得。

将金属试件夹在夹具上，开动电机，使其以2cm/min均速下降。在第一次扦入水中时，由于表面为亲水性，分子不能吸附上去。提出时，将吸附有第一层分子。在提取过程中（2cm/min），浮板在自动地缓慢向前移动，压缩水面上的膜层，使其始终为一层致密的单分子层。此时，表面成为疏水的。再次扦入和提出，将又附有二层分子。如此，在下、上通过水面n次后，制备有2n-1层单分子膜。

在紫铜表面上，用上述技术，制备了硬脂酸钡一层单分子膜，三层单分子膜，五层单分子膜。在这三种表面上，均实现了乙醇、苯胺、硝基苯、乙二醇和1，2-丙二醇等有机蒸汽的滴状冷凝。其中以一层单分子膜传热效果最佳。对乙醇蒸汽冷凝寿命实验，已达300小时，仍保持很好的滴状冷凝。

本发明的优点：