本发明涉及一种新颖的固体表面的保护层,特别是一种不被某种流体沾着的保护层。 现有的使固体不被某种流流体沾湿、渗透的方法,是在固体表面涂布一层涂料,或用化学方法改变固体表面性质。来阻止这一流体浸透固体表面或渗入固体内部。前者如各种防水漆,后者如伞布的防水整理。经这些方法处理过的固体表面,仍会在相当程度上被流体附着,如船只浸水部分的油漆防止了水对船体的浸蚀,但油漆表面与水还是密切吸附的在船只航行时,粘附在船板上的水层与相邻的水层之间产生内摩擦而产生航行阻力;又如雨伞淋雨后雨水不会渗过伞布,但会附着于伞面,携入室内还会淌水不止。由以上两例可见,现有的防止固体被流体沾湿、渗透的方法,并未解决固体表面不被流体沾着的问题。
本发明的任务是要提供一种固体表面地防沾着保护层,使某种流体与这保护层间的附着力极小,流体不会沾着保护层。
定义:本发明中所说的固体表面的“偏附特牲”,是指固体与两种不相溶流体(气、液或液、液)共处达到平衡时,其中一种流体与固体的接触角θ大于90°,特别是接近或等于180°(图1)的特性。这一流体称为固体的“疏离流体”,另一种流体称为固体的“亲附流体”,而这一固体称为这两种流体的“偏附介质”。固体表面的偏附特性,可针对给定的两种不相溶流体选择适宜的固体物质,或用理化方法处理后获得。
本发明中所说的“偏附突起”,是指密集固着在固体表面,它的端部表面有在的平均曲率值,表面有偏附特性的固体突起。其外形可以是固着在固体表面的直短纤维、弯曲纤维,粘结在固体表面的微球、粉末,或其它形状的突起物。
发明是这样实现的:首先根据上述定义,将所需防止沾着的流体视作疏离流体,另一种存在于同一环境中不与它相溶的流体视作亲附流体,以此选定它们的偏附介质。在需要防止上述疏离流体沾着的固体表面,均匀密集地做上由上述偏附介质构成的偏附突起固着在固体表面的方法可以是与固体一起形成的,如绒布、毛毡状的毛细绒,也可通过粘结剂用静电植绒等方法粘合上去的。这些偏附突起即组成了防止疏离流体沾着的“毛细绒”。毛细绒中偏附突起的形状、大小及在固体表面上的分布密度等参数,应根据所需功能选定。在亲附流体环境中,亲附流体占据偏附突起间的空间而浸润整个毛细绒,此时疏离流体与之接触,因表面张力作用,不能推开毛细绒中的亲附流体而透入偏附突起间的空间,它仅与各偏附突起顶端作点状接触,接触点以外的表面与偏附突起间的亲附流体接触。疏离流体沿毛细绒表面流动时,由于两种流体界面附近的环流现象,运动阻力比与固体接触时有显著减少。两种流体与毛细绒的这种状态,称为它们间处于“阻隔平衡”。疏离流体与固体表面间,渗在偏附突起间连成一片的亲附流体层称为“阻隔膜”。疏离流体与偏附突起顶端接触面在阻隔膜上正投影面积之和在阻隔膜总面积中的比率ε,称为阻隔平衡的“接触率”。ε越小,疏离流体在毛细绒表面的流动阻力越小。
本发明的效果是,固体表面有了一层毛细绒保护层后,环境中的一种流体先渗入其中,使得需防止沾着的流体与之接触时仅与毛细绒作分散的点状接触,在其表面流动时阻力比与固体直接接触时显著减小,或凝成珠状迅速滚落,且不在毛细绒上留下残渍。
以下结合附图对本发明作更详尽的说明。
附图图面说明。
图1为固体(6)与两种不相溶流体(2)、(3)接触平衡时的剖视图,图中θ表流体(3)与固体的接触角。
图2为一个乳突状偏附突起(4)固着在固体(1)表面的示意图。
图3为一个偏附突起的圆柱体等效偏附突起(4)固着在固体(1)表面示意图。
图4为一种毛细绒的结构示意图。众多的偏附突起(4)固着在固体(1)的表面组成毛细绒。
图5显示,在亲附流体(2)环境中,疏离流体(3)与毛细绒间的平衡状态,阻隔膜(5)将疏离流体(3)与固体(1)阻隔开来。
图6显示,疏离流体(3)与阻隔膜(5)中亲附流体在界面两侧压力差为零时的界面。
图7,承图6,疏离流体一侧压力加大后的界面。
图8,承图7,疏离流体一侧压力超过限度后的状况。
图9显示,在重力场中,毛细绒为疏离流体(3)部分浸没时的阻隔膜(5)。
图10显示,在重力场中,毛细绒上为疏离流体(3)全部浸没的阻隔膜(5)。
如前所述,偏附突起可以有各种形状,例如乳突状(图2)等。它们都近似地等效于一个固着在固体表面的圆柱形的偏附突起。假定这一圆柱体偏附突起的柱径为d,长度为l顶端是一个与柱面吻结的半球(图3),它们在固体表面分布密度为ω。以下即以d、l、ω这三个参数来描述与之等效的毛细绒的几何特性。
请阅图4,许多偏附突起(4)均匀密集地固着在固体表面形成毛细绒。有时会要求偏附突起有足够的高度,但过高的偏附突起刚性较差,设计时应予注意。
请阅图5,毛细绒在亲附流体环境中,亲附流体很容易进入偏附突起之间的空间,少量的疏离流体(3)因表面张力作用不能渗入毛细绒而在毛细绒上面凝成极易滚动的珠状,在它与固体之间是稳定的阻隔膜(5)。
在阻隔平衡时,疏离流体与阻隔膜中的亲附流体间的界面的平均匀曲率,与界面两则流体间的压力差△P成正比。当△P=0时,张在偏附突起顶端间的界面平坦(图6)。疏离流体的压力增大,平坦的界面便产生众多凸向亲附流体一侧的弯曲(图7),△P越大,弯曲程度越大。由于偏附突起顶端间的距离是固定的,界面弯曲必有一个限度,在△P超过某个值时,便会发生突变,疏离流体会挤走偏附突起间的亲附流体,阻隔膜立即消失,阻隔平衡被打破(图8)。这一突变过程称为阻隔膜被“击穿”。毛细绒上阻隔膜不被击穿的△P的上限τ称为这一毛细绒的“阻隔力”,它是表征毛细绒抗沾着能力的参数。击穿过程是不可逆的,即△P在击穿后再降至τ以下,阻隔平衡不会自行恢复。
请阅图9,在重力场中,亲附流体与疏离流体间的界面是一个水平面,将毛细绒从亲附流体穿过这个水平面,部分移入疏离流体中,在毛细绒上形成的阻隔膜上,两流体界面的曲率随深度而变化,在疏离流体静压力超过阻隔力处,阻隔膜终止。毛细绒上阻隔膜从水平面向下(上)的延伸高程h称为毛细绒阻隔膜的“开放高程”。
请阅图10,在重力场中,毛细绒上的一块阻隔膜全部浸没于疏离流体中,阻隔膜在垂直方向上的延伸高程称为毛细绒阻隔膜的“闭合高程”。因此浸没于疏离流体中需保护固体表面的垂直高程较大时,应将其表面的毛细绒分隔为高程小于闭合高程的小块,小块毛细绒上阻隔膜间的亲附流体不相沟通。
在θ<180°时,h′>h,但在实际应用中,分隔毛细绒小块的高程还应小于h。
为便于公众根据需要来设计合理的毛细绒,本发明人提供以下研究结果:
毛细绒的阻隔力可用下式计算:
τ=-kπdσωcosθ
式中τ-毛细绒阻隔力,Pa;
k-稍小于1的常数,与偏附突起分布状况有关,无因次;
d-偏附突起直径,m;
σ-疏离流体与亲附流体间的界面张力,Nm-1;
ω-毛细绒上偏附突起分布密度,m-2;
θ-疏离流体对于偏附突起表面的接触角,无因次。
毛细绒边缘处如显露出偏附突起的侧面,则在这方向上的阻隔力τ′为
τ′=-2kdσωcosθ
毛细绒阻隔膜的开放高程为:
h = (τ,)/(△pg)
式中 h-毛细绒阻隔膜开放高程,m;
△p-疏离流体与亲附流体的密度差,Kg·m-3;
g-重力加速度,m·s-2.
在△p=0时,毛细绒阻隔平衡的接触率为:
ε = (πd2ωsin2θ)/4
在△p=τ时,毛细绒阻隔平衡的接触率为:
ε = (πd2ω)/4
偏附突起高度应满足以下条件方可防止形变:
l<πd216πEωΔp]]>
式中 l-偏附突起的高度,m;
E-构成偏附突起的材料的弹性模量,Pa;
△p-毛细绒工作时所受压力,Pa。
以下提供一种用静电植绒法制作毛细绒的实施例:
将0.2D的粘胶丝切成0.2mm长的短纤维,缝于布袋内用氟系防水剂GA处理后烘干,成为疏水性短纤维。在需要防止被水沾着的固体(纸、布、塑、木、铁等)表面涂上粘结剂,然后用静电植绒机植上上述疏水性短纤维,植入密度控制在8000根/mm2左右,它们在固体表面形成了一层亲气疏水的毛细绒。经计算,τ=5500Pa,h=0·36,ε=0·1.1。