仿生自清洁金属纤维过滤材料
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第41卷 增刊12011年7月
吉林大学学报(工学版)
)JournalofJilinUniversitEnineerinandTechnoloEdition y(gggy
ol.41 Su.1 Vpul2011 Jy
仿生自清洁金属纤维过滤材料
2
,尚 涛1,李 涛1,刘先黎2,任露泉2
()吉林大学机械科学与工程学院,长春1吉林大学仿生工程教育部重点实验室,长春11.30022;2.30022
摘 要:基于土壤生物体表的脱附特性和以荷叶为代表的生物体表的自清洁特性,通过化学涂镀的方法在金属纤维表面制备N对仿生金属纤维自清洁过滤材料进行了研究。iP合金镀层,-应用X射线衍射仪(研究了镀层的晶体结构和晶粒尺寸,应用扫描电子显微镜(和XRD)SEM)透射电子显微镜(观察了镀层的表面结构和表面形貌特征,应用光学接触角测量仪TEM)(,测量了金属丝网表面的水接触角(并对纤维材料过滤效率和压降进行了讨OCAM)WCA)
经过表面处理后的仿生金属丝网过滤材料表面润湿特性得到了明显的改论。实验结果表明,
压降没有大幅度的增加,过滤效率得到了一定程度的提高。善,
关键词:工程仿生学;仿生自清洁;金属纤维过滤材料;润湿角;过滤效率;过滤压降()中图分类号:TB17 文献标志码:A 文章编号:167154972011Su1016805---p.
Bionicselfcleaninmetallicfibrousfilter - g
12122
,,,SHANGTaoLITaoLIU XianliRENLuuan - -q
,
(1.ColleeoMechanicalScienceand EnineerinJilin UniversitChanchun130022,China;2.KeLaboratoro gf gg y,gy yf
BionicEnineerinMinistroEducation,Jilin UniversitChanchun130022,China) gg,yf y,g
:AbstractBasedonantiadhesioncharacteristicofsoilanimalbodsurfacesandselfcleaninfunctionof - - yg
,lantlatinsurfacesthebionicmetallicfibrousfiltersweredesinedwithelectrolessnickel -ppgg hoshorusinthisaer.Thecrstallinestructureandrainsizeoftheasdeositedmetalcoatins - ppppygpg
characterizedbtheXradiffraction(XRD).Thesurfacemorholoiesandmicrostructurewerewere - yypg observedbscanninelectronmicroscoe(SEM)andtransmissionelectrolessmicroscoTEM). ygppy( Thewatercontactanles(WCA)weremeasuredboticalcontactanlemeter(OCAM).The gypg mechanismsofarticulatescollectedandfiltercakeformedwerediscussed.Thetestresultsshowthat p
,surfacetreatmentcaneffectivelincreasethewettabilitofbionicwiremeshfilterthefilterback yy ressurewasnotobviouslincreasedandfiltrationefficiencetsomeimrovin. pyygpg
:;;;;Kewordsenineerinbionicsbionicselfcleaninmetallicfibrousfilterwatercontactanles - ggggy ;ressurefiltrationefficiencfilterindro pygp
微粒的排放,其中柴油机尾气微粒捕集器(DPF)以其优异的性能和便于实施而受到人们越来越多
1]
。但是基于过滤方法的微粒捕集器在过的关注[
0 引 言
目前人们开发了多种技术来降低柴油机尾气
收稿日期:20100712.--
)基金项目:国家自然科学基金重点项目(50635030.
,:作者简介:尚涛(男,副教授,博士.研究方向:仿生耦合机理与应用技术研究.1968E-mailshantaolu.edu.cn-)@gj,:通信作者:任露泉(男,教授,中国科学院院士.研究方向:仿生耦合机理与应用技术.1944Eaillrenlu.edu.cn-)-m@qj
增刊1尚 涛,等:仿生自清洁金属纤维过滤材料
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滤过程中随着微粒在过滤材料表面的集聚,捕集
2]
。因此D器背压升高从而影响发动机性能[PF
滤芯合理有效的再生方法是研究的重点和难点。
//NaOH,20~40gL;NaCO20~30gL;3,
/NaPO12H2O,5~10gL,OP10乳化剂,1~-34·/清洗时间为13gL。溶液温度控制在70℃,0
碱清min。酸清洗是为了除净丝网表面氧化物,洗后的试样浸入20%HCl溶液2min。酸清洗后,丝网浸入丙酮溶液中超声清洗1后浸入去5min离子水中超声清洗5min待用。
化学镀NiP的主要溶液成分为:NiSO15-4(
/、/、/。次亚磷酸钠(乙酸钠(L)14gL)13gL)g
溶液温度控制在80℃。本实验选取沉积时间分别为20、40、60、80和100min的丝网试样。1.2 NiP镀层表面形态表征及接触角检测手段-
/采用XXRD,Dmax2500PC,-射线衍射仪( ,)对镀层的晶体结构和晶粒尺寸进RiakuJaangp
,行标定。利用扫描电子显微镜(SEM,JSM-5600)观察镀层表面形貌。利用透射电子JEOL,Jaanp
,,对镀层显微镜(TEM,H-800HITACHIJaan)p进行微观结构分析,加速电压为200kV。采用光学接触角测量仪(OCAM)(CA-DT,Koway,)测量原始金属丝网和涂InterfaceScienceJaan p镀NiP层之后的金属丝网的表面接触角。所用-液体为蒸馏水,测量过程中通过微量调节注射器,精确控制注射器液滴的大小(丝网表3μL左右)面接触角通过集成在OCAM中的SCA20软件
测量。
1.3 背压和过滤效率的测量
图1为金属丝网背压和过滤效率的测量设采用热球风速仪备。A处试样直径110mm,()测量空气速度,应用U形管测压计测量QDF3-
过滤背压。以普通室内空气为过滤效率测量介质
,
金属纤维材料具有很好的韧性和耐热性能,并且可以方便地加工成复杂的形状,是一种重要的
[]
主要包括金属丝网、金属纤维DPF滤芯材料3-5,
烧结金属纤维等。毡、
以荷叶为代表的很多生物体表面都具有超疏)与水的表面接触角大于1和自清洁水特性(50°能力,受此启发,具有优良润湿特性的金属纤维材料将有望通过降低材料表面和尾气微粒之间的粘附力来实现过滤材料的自清洁。通过开发这种特殊功能过滤材料有希望使得沉积在过滤材料表面的滤饼在重力或振动的辅助作用下实现自动脱离,最终实现DPF的自动再生。
研究表明:生物表面的微-纳非光滑结构是其
]67-
。化学优良的表面润湿特性的重要原因之一[
涂镀方法是一种在各种金属或非金属表面制备均
8]
。化学镀镍磷匀的金属薄层的简便可行的方法[
合金(工艺是一种低成本、无污染的表面保NiP)-护和表面强化技术手段,镀层表面具有高硬度、高
]8910]-
、。镍磷合金镀层的厚度耐蚀性[高耐磨性[
会随着沉积时间的增加而增加。尤其在最近的研
]1112-
,究中[NiP镀层可以有效的防止换热器表面-
沉积层的形成,表现出了良好的防污特性。这一重要的发现对降低过滤材料与滤饼之间粘附力的研制具有重要的借鉴意义。
单层编织金属丝网具有相对平整的表面结构,便于进行表面涂镀处理和观察表面形貌特征并且可以基本代表金属纤维材料的各项性能。本文以单层金属丝网为研究对象,通过化学涂镀的方法在其表面制备了纳米尺度的NiP镀层。应-用接触角测量仪和扫描电子显微镜分别研究了不同涂镀时间的金属丝网的润湿性和表面形貌特并测量了不同涂镀时间的金属丝网的过滤背征,
压和过滤效率,讨论了NiP镀层对金属丝网润湿-性、过滤背压和过滤效率的影响。
1 实验方法
1.1 金属丝网表面NiP镀层的制备工艺-
在NiP镀层制备之前首先进行丝网表面清-它主要包括碱清洗以获得理想的表面催化活性,
洗、酸清洗和超声清洗。碱清洗是为了除掉丝网表面油脂,使用如下含有表面活性剂的碱性溶液:
A-金属丝网试样;B-U形管测压机;CDE-热球风速仪;-鼓风机;-整流管;FG-流量阀;-光学微粒计数器
图1 金属丝网压降和过滤效率测量设备示意图Fi.1 Sketchmaofwiremeshfilterressuredroand gppp
filterefficienctesteuiment yqp
·170·
吉林大学学报(工学版)
第41卷
金属丝网上游和下游的微粒数量通过光学粒子计)数器(进行测量。为使空气以相对稳定均BCJ1-匀的速度通过金属丝网过滤表面以降低实验误在金属丝网上游设置长度大于1差,0倍直径的整。空气流量通过设置在鼓流管(长度1200mm)风机入口处的流量阀进行调节。
2 实验结果和讨论
NiP镀层配位滴定的结果显示镀层中w(P)-=2.6%。图2所示为化学镀NiP镀层的XRD谱-线图。由图2可以看出:衍射峰主峰出现了明显的宽化、与纯镍的衍射峰位置相比发生了微小的偏移,这表明磷原子已经进入了面心立方的镍晶格。)、())通过进行拓宽测量(和(的衍射峰,111200220确定平均镍磷晶粒尺寸约为12nm
。
图3 金属丝网表面润湿角随涂镀时间的变化Fi.3ariationofwatercontactanlewithdeositiontime V ggp
图4所示为涂镀时间为60min时的NiP镀-)层表面的S可知,EM和TEM图片。由图5(aNiP镀层表面由直径在2μm左右的微米团聚体-
()组成。图5显示:微米团聚体表面分布着直径b在10nm左右的纳米级颗粒状突起。可见NiP-
)镀层是由纳米级颗粒(构成的nanosizednodules- 微米级团聚体(microsizedslandshaed- i-p
)组成的微-纳米复合结构或分层结alomeratesgg),构(与荷叶表面的微观结hierarchialstructure
6]
。研究结果显示随着涂镀时间的增构非常类似[
加微米团聚结构的尺寸相应增加,而纳米级颗粒体的尺寸基本保持不变,当微米团聚结构尺寸大丝网表面润湿角开始下降
。于2μm时,
图2 NiP镀层的XRD分析结果-Fi.2 XRDatternofNiPfilm - gp
图3为丝网表面接触角随镀层沉积时间的变,化曲线。初始金属丝网接触角为1已经表03.5°)现出了疏水特性。图4(为蝴蝶翅膀表面微观a结构,表面呈平行的山丘状突起,结构中间由薄肋骨相连。图4(为金属丝网表面的Sb)EM照片,编织金属丝网的加工工艺决定了丝网表面规则的非光滑结构,金属丝直径2丝间空隙5μm左右,
略大于金属丝直径,这种结构和蝴蝶翅膀表面结构相似。初始金属丝网表面较高的接触角可能与这种特殊结构有关。随着涂镀时间的增加丝网润湿角逐渐上升,在6之后0min时达到最大值131°随着涂镀时间的继续增加丝网润湿角迅速下降,。丝网表面润湿在100min时达到最小为53.3°角的降低可能是由于涂镀时间超过60min之后,镀层的进一步增加使得丝网表面规则的不光滑结构受到破坏而导致的
。
)蝴蝶翅膀表面S)金属丝网表面SaEM图片 (bEM图片 (
图4 蝴蝶体表和金属丝网微观形貌对比Fi.4 Microstructurecomarisonofbutterfl gpy
andwiremesh
图6为丝网压降随化学涂镀时间的变化关
/,系,实验空气流速为2m环境温度为2s0℃。实随着涂镀时间从0增加到6验结果表明,0min过。当沉积时间滤背压从58Pa缓慢增加到71Pa超过6压降的上升速度明显加快。0min之后,
13]
:单层金属丝网压降可由下式表示[
P=
2
-0.75-0.5ln25β+β-0.β
()1
增刊1尚 涛,等:
仿生自清洁金属纤维过滤材料
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始在丝网纤维表面出现较大的集聚体所导致的。
扩散过滤机理和直接拦截过滤机理可以很好
]1415-
,通过增加微粒和过地描述滤器的过滤效率[
滤体纤维表面的接触机会可以有效地增加过滤材
[6]
料的过滤效率。M曾经通过在金acMahon等1
图560minNiP镀层的SEM和TEM图片 -
Fi.5 SEMandTEMobservationofelectrolesslatinNi -gpg
Pcoatinswith60mindeositiontime gp
属纤维表面覆盖氧化铝涂层(coatedwith
)增加过滤器的过滤效率,这在一定程度alumina上印证本文实验的结果
。
式中:P为压降;M为金属丝网目数;U为金属丝
网表面速度;μ为空气黏度;β为纤维填充密度。可见过滤压降同金属丝网填充密度成正相关。当丝网纤维填充假设金属丝网纤维截面为圆形时,密度可以表示为
9.69MRπfβ=1式中:Rf为纤维半径
。
()2
图7 不同涂镀时间的金属丝网表面形貌Fi.7 Wiremeshsurfacetoorahin gpgpy
differentdeositiontim
e p
图6 丝网压降随涂镀时间的变化
ressureFi.6ariationofdrowiththedeositiontime V pgpp
图7为不同涂镀时间的金属丝网表面微观形貌特征。在0~60min时NiP镀层较为均匀的-沉积在金属纤维表面,对金属纤维的总体外形影)响较小,由式(可知,此时金属丝网填充密度不2会发生明显的变化,因此丝网过滤压降的增加并不明显。当涂镀时间超过6随着镀层0min之后,的进一步增加,丝网纤维表面和纤维之间集聚的镀层对金属丝网结构的NiP合金颗粒迅速增加,-
影响明显加剧,此时金属丝网过滤压降也以更快的速度上升。
图8为金属丝网过滤效率随涂镀时间的变化规律。由分析可知,从整体来看丝网过滤效率随着涂镀时间的增加而增加。在涂镀时间从40金属丝网过滤效率min增加到60min的过程中,
)发生了明显的突变。分析图6(和图6(可以b)c发现,这种现象可能是由于金属丝网表面镀层开
图8 丝网过滤效率随涂镀时间的变化Fi.8ariationoffilterefficiencwithdeositiontime V gyp
对比图3、图6和图8发现,涂镀时间60min时金属丝网的综合性能最优。此时金属纤维表面的N不会对iP镀层还没有形成较大的集聚颗粒,-过滤压降产生明显的影响,镀层的微-纳分层结构使得丝网表面润湿特性获得明显的改善有利于降低过滤滤饼与丝网表面的粘附力,同时纤维表面的颗粒凸起在一定程度上提高了纤维材料的过滤效率。
·172·
吉林大学学报(工学版)
第41卷
3 结束语
通过化学涂镀的方法在丝网表面设置了Ni-
显微图片显示涂层表现了类似于荷叶表P镀层,
面的微-纳分层结构。试验表明:仿生涂镀之后的丝网的疏水特性明显增加,表面接触角从110.5°,增加到1过滤背压增加相对较少,23°NiP镀层-形成的球状突起在一定程度上增加了丝网过滤效率。参考文献:
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