CN110813926B - 一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置和方法，该装置包括：通过导线连接的自清洁环境装置和调节电源；其中，自清洁环境装置，包括：流体腔、油污薄膜表面、介电材料层、基底金属和低导电率流体；低导电率流体盛装于流体腔之内，作为油污薄膜表面自清洁过程的操作环境；介电材料层喷涂于基底金属外表面，将基底金属完全包裹；油污薄膜表面紧密贴合在介电材料层的外表面。本发明以介电润湿效应为基础，将需要进行处理的油污薄膜表面置于低导电率流体之中，在油污薄膜表面形成液‑液接触角，通过施加外加电压，使油膜侧的接触角快速增大，当瞬态接触角达到180度后，在动态能的驱动下脱离油污薄膜表面，从而实油污表面的自清洁。
Description
技术领域
本发明属于流体控制与管理技术领域，尤其涉及一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置和方法。
背景技术
薄膜层表面油滴或油膜的自清洁是一项难题，许多薄膜表面有较好的亲油性，污染后油膜完成铺开，形成的接触角几乎为零度，因此很难用常规物理清洗的方法将油污完全冲洗干净。且通过外在作用力(比如物理冲洗、化学试剂清洁)清洗薄膜表面也会带来许多新的问题，比如，物理清洁过程容易破坏薄膜层，化学试剂法容易改变薄膜表面的性质特征。因此，传统的清洁手段，对于贵重薄膜表面，或具有微结构的薄膜表面，均有较大局限性。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置和方法，以介电润湿效应为基础，将需要进行处理的油污薄膜表面置于低导电率流体之中，在油污薄膜表面形成液-液接触角，通过施加外加电压，使油膜侧的接触角快速增大，当瞬态接触角达到180度后，在动态能的驱动下脱离油污薄膜表面，从而实油污表面的自清洁。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，包括：通过导线连接的自清洁环境装置和调节电源；其中，自清洁环境装置，包括：流体腔、油污薄膜表面、介电材料层、基底金属和低导电率流体；
低导电率流体盛装于流体腔之内，作为油污薄膜表面自清洁过程的操作环境；
介电材料层喷涂于基底金属外表面，将基底金属完全包裹；
油污薄膜表面紧密贴合在介电材料层的外表面。
在上述基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置中，还包括：正极接线端子和负极接线端子；
正极接线端子悬置于低导电率流体之中，通过导线与调节电源的输出正端连接；
负极接线端子设置在基底金属的一侧端，通过导线与调节电源的输出负端连接。
在上述基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置中，还包括：断路开关；
断路开关设置在用于连接正极接线端子与调节电源的输出正端的导线上。
在上述基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置中，置于低导电率流体之中的负极接线端子和导线均采用绝缘包覆结构。
在上述基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置中，低导电率流体与油污薄膜表面上携带的油膜不互溶。
在上述基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置中，低导电率流体密度大于油污薄膜表面上携带的油膜的密度。
在上述基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置中，还包括：交流电源；
交流电源接入调节电源的输入端，并通过调节电源的输出端输出直流可调节电压或交流可调节电压。
在上述基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置中，调节电源的输出电压阈值V满足：
其中，σ表示油膜与低导电率流体之间的界面张力，d表示介电材料层的厚度，ε表示介电材料层的介电常数，ε0表示真空介电常数，θ0表示油膜在油污表面的初始接触角；C表示电材料层的介电强度。
在上述基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置中，当油污薄膜表面所施电压大于输出电压阈值V时，接触性的快速移动和接触角的快速增加引起油污薄膜表面上的油膜收缩，在动态能及惯性作用，使得油膜完全收缩成独立油滴，并在薄膜表面弹起。
本发明还公开了一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁方法，包括：
搭建自清洁环境装置；
通过导线将自清洁环境装置与调节电源连接；
其中，通过如下步骤搭建自清洁环境装置：
将低导电率流体盛装于流体腔之内，作为油污薄膜表面自清洁过程的操作环境；
在基底金属外表面喷涂介电材料层，将基底金属完全包裹；
将油污薄膜表面与介电材料层的外表面紧密贴合，并共同置于低导电率流体之中。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁方案，以介电润湿效应为基础，将需要进行处理的油污薄膜表面置于低导电率流体之中，在油污薄膜表面形成液-液接触角，通过施加外加电压，使油膜侧的接触角快速增大，当瞬态接触角达到180度后，在动态能的驱动下脱离油污薄膜表面，从而实油污表面的自清洁。
(2)本发明公开了一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁方案，结构简单，操作方便，通过介电材料将金属基底层完全包裹，同时金属基底层和在环境流体内的导线也由绝缘皮包覆，防止了在正负极表面及金属基底上电解和氧化的发生，使反电润湿过程具有很好的稳定性和可持续性。
(3)本发明公开了一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁方案，可通过设计合理的低导电率流体，改变环境流体的离子浓度和导电特征，使反电润湿效应在最大限度内发生作用；通过选择合理的介电质材料和涂层厚度，能够最大限度地降低有效操作电压，杜绝表面击穿和介电效应失效等问题。
(4)本发明公开了一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁方案，操作范围广，对于不同密度、粘度、大小的油污类型，均能通过选择合理的环境流体，改变相界面张力和初始接触角，使操作电压在可控的范围内，快速完成油污的清洁过程。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种施加电压后，油污薄膜表面的油膜形态变化及脱离过程的实施效果示意图；
图3是本发明实施例中一种油污薄膜表面的油膜初始接触角变化的实施效果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
实施例1
如图1，在本实施例中，该基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，包括：通过导线连接的自清洁环境装置和调节电源9。其中，自清洁环境装置，包括：流体腔1、油污薄膜表面2、介电材料层3、基底金属4和低导电率流体6。
优选的，低导电率流体6盛装于流体腔1之内，作为油污薄膜表面2自清洁过程的工作环境流体；介电材料层3喷涂于基底金属4外表面，将基底金属4完全包裹；油污薄膜表面2紧密贴合在介电材料层3的外表面。
可见，本发明以介电润湿效应为基础，将需要进行处理的油污薄膜表面置于低导电率流体之中，在油污薄膜表面形成液-液接触角，通过施加外加电压，使油膜侧的接触角快速增大，当瞬态接触角达到180度后，在动态能的驱动下脱离油污薄膜表面，从而实油污表面的自清洁。
实施例2
如图1，该基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，还包括：正极接线端子7和负极接线端子8。其中，正极接线端子7悬置于低导电率流体6之中，通过导线与调节电源9的输出正端连接；负极接线端子8设置在基底金属4的一侧端，通过导线与调节电源9的输出负端连接。
优选的，置于低导电率流体6之中的负极接线端子8和导线均采用绝缘包覆结构，防止了在正负极表面及金属基底上电解和氧化的发生，使反电润湿过程具有很好的稳定性和可持续性。
优选的，用于连接正极接线端子7与调节电源9的输出正端的导线上还设置有断路开关11，可以控制整个油污表面自清洁装置的通断，在出现异常时可及时断电，安全可靠。
在本发明的一优选实施例中，该基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，还可以包括：交流电源10。其中，交流电源10接入调节电源9的输入端，并通过调节电源9的输出端输出直流可调节电压或交流可调节电压。
优选的，在本实施例中，可以通过预估油污表面的厚度，计算调节电源9所需要的输出电压，由此确定调节电源9的工作范围，即调节电源9的输出电压阈值V。
进一步优选的，调节电源9的输出电压阈值V可通过如下方式确定：
其中，σ表示油膜5与低导电率流体6之间的界面张力，d表示介电材料层3的厚度，ε表示介电材料层3的介电常数，ε0表示真空介电常数，θ0表示油膜5在油污表面的初始接触角；C表示电材料层3的介电强度。
在本实施例中，如图2，当油污薄膜表面2所施电压大于输出电压阈值V时，接触性的快速移动和接触角的快速增加引起油污薄膜表面2上的油膜5收缩，在动态能及惯性作用，使得油膜5完全收缩成独立油滴，并在薄膜表面弹起。
进一步的，在本实施例中，所采用的低导电率流体6与油污薄膜表面2上携带的油膜5不互溶，且，低导电率流体6密度大于油污薄膜表面2上携带的油膜5的密度；因此，在薄膜表面弹起的油滴可上浮至低导电率流体表面，避免二次沉积于油污表面，提高了油污表面的自清洁效果。
其中，需要说明的是，低导电率流体可选用超纯水、低浓度的盐溶液或离子液等流体等，本实施例对此不作限制。可基于介电常数、介电强度、机械性能等因素选择对应匹配的介电材料。
综上所述，本发明公开了一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁方案，以介电润湿效应为基础，将需要进行处理的油污薄膜表面置于低导电率流体之中，在油污薄膜表面形成液-液接触角，通过施加外加电压，使油膜侧的接触角快速增大，当瞬态接触角达到180度后，在动态能的驱动下脱离油污薄膜表面，从而实油污表面的自清洁。结构简单，操作方便，通过介电材料将金属基底层完全包裹，同时金属基底层和在环境流体内的导线也由绝缘皮包覆，防止了在正负极表面及金属基底上电解和氧化的发生，使反电润湿过程具有很好的稳定性和可持续性。其次，可通过设计合理的低导电率流体，改变环境流体的离子浓度和导电特征，使反电润湿效应在最大限度内发生作用；通过选择合理的介电质材料和涂层厚度，能够最大限度地降低有效操作电压，杜绝表面击穿和介电效应失效等问题。再次，该油污表面自清洁方案操作范围广，对于不同密度、粘度、大小的油污类型，均能通过选择合理的环境流体，改变相界面张力和初始接触角，使操作电压在可控的范围内，快速完成油污的清洁过程。
实施例3
在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁方法，包括：搭建自清洁环境装置；通过导线将自清洁环境装置与调节电源9连接。其中，通过如下步骤搭建自清洁环境装置：将低导电率流体6盛装于流体腔1之内，作为油污薄膜表面2自清洁过程的操作环境；在基底金属4外表面喷涂介电材料层3，将基底金属4完全包裹；将油污薄膜表面2与介电材料层3的外表面紧密贴合，并共同置于低导电率流体6之中。
在本实施例中，该基于反电润湿效应的油污表面自清洁方案实现自清洁的具体操作及实现原理如下：
清洗流体腔1，将要处理的油污薄膜表面2贴合在已涂有介电材料层3的基底金属4的外面，一起置入流体腔1之中；调节电源9先处于关闭状态，将调节电源9的输入端接入常规的交流电源10，调节电源9的输出端分别与正极接线端子7和负极接线端子8通过导线相连接(也可不分正负极使用)；在流体腔1中加入的低导电流体6(低导电流体6选择依据有：低导电率流体6与被操控的油膜5流体之间具有不互溶的特征，低导电率流体6的密度一般大于油污流体5的密度，可为超纯水、低浓度的盐溶液或离子液等流体)；加入低导电流体6之后，油污在薄膜表面的接触角发生变化，如图3，在空气环境中油污的接触角几乎为零度，当置入低导电流体6之后，接触角显著增加，这是由于三相之间表面能的变化所致，同时也为反电润湿操作和油污清洁带来了便利；通过计算所需要的输出电压，确定调节电源9的工作范围(即，输出电压阈值V)，并设置调节电源9的输出电压；其中，调节电源9可为直流电源或交流电源，测试表明，交流电源型式能带来更显著的操控效果，所需的操作阈值电压也低于直流电源条件下的电压范围。
开启调节电源9，闭合断路开关11，基底金属表面层为负极，整个低导电率流体成为正极，两者之间产生瞬间电压，基底金属4和低导电率流体6内的自由电子、离子等在介电材料层3两侧重新分布，并改变三相接触表面能(液-液-固相相接触线附近产生反电润湿现象)，使得低导电流体6侧的接触角减小，而油膜5侧的接触角增大。
当油污薄膜表面所施电压大于输出电压阈值V时，接触性的快速移动和接触角的快速增加引起油污薄膜表面上的油膜收缩，在动态能及惯性作用，使得油膜完全收缩成独立油滴，并在薄膜表面弹起。低导电率流体密度大于油滴密度，弹起的油滴将上浮至低导电率流体表面，避免二次沉积于油污表面，实现油污表面的自清洁。
弹起的油滴飘至低导电率流体6表面后，可被抽吸移除，不断调节电源9的操作范围，并不断开闭断路开关11，油污薄膜表面2的大小油膜(或油滴)持续被清理，实现主动完全自清洁。
对于方法实施例而言，由于其与装置实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例部分的说明即可。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，其特征在于，包括：通过导线连接的自清洁环境装置和调节电源(9)；其中，自清洁环境装置，包括：流体腔(1)、油污薄膜表面(2)、介电材料层(3)、基底金属(4)和低导电率流体(6)；
低导电率流体(6)盛装于流体腔(1)之内，作为油污薄膜表面(2)自清洁过程的操作环境；
介电材料层(3)喷涂于基底金属(4)外表面，将基底金属(4)完全包裹；
油污薄膜表面(2)紧密贴合在介电材料层(3)的外表面；
调节电源(9)的输出电压阈值V满足：
其中，σ表示油膜(5)与低导电率流体(6)之间的界面张力，d表示介电材料层(3)的厚度，ε表示介电材料层(3)的介电常数，ε0表示真空介电常数，θ0表示油膜(5)在油污表面的初始接触角；C表示介电材料层(3)的介电强度；
当油污薄膜表面(2)所施电压大于输出电压阈值V时，接触性的快速移动和接触角的快速增加引起油污薄膜表面(2)上的油膜(5)收缩，在动态能及惯性作用，使得油膜(5)完全收缩成独立油滴，并在薄膜表面弹起。
2.根据权利要求1所述的基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，其特征在于，还包括：正极接线端子(7)和负极接线端子(8)；
正极接线端子(7)悬置于低导电率流体(6)之中，通过导线与调节电源(9)的输出正端连接；
负极接线端子(8)设置在基底金属(4)的一侧端，通过导线与调节电源(9)的输出负端连接。
3.根据权利要求2所述的基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，其特征在于，还包括：断路开关(11)；
断路开关(11)设置在用于连接正极接线端子(7)与调节电源(9)的输出正端的导线上。
4.根据权利要求2所述的基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，其特征在于，置于低导电率流体(6)之中的负极接线端子(8)和导线均采用绝缘包覆结构。
5.根据权利要求1所述的基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，其特征在于，低导电率流体(6)与油污薄膜表面(2)上携带的油膜(5)不互溶。
6.根据权利要求1所述的基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，其特征在于，低导电率流体(6)密度大于油污薄膜表面(2)上携带的油膜(5)的密度。
7.根据权利要求1所述的基于反电润湿效应的油污表面自清洁装置，其特征在于，还包括：交流电源(10)；
交流电源(10)接入调节电源(9)的输入端，并通过调节电源(9)的输出端输出直流可调节电压或交流可调节电压。
8.一种基于反电润湿效应的油污表面自清洁方法，其特征在于，包括：
搭建自清洁环境装置；
通过导线将自清洁环境装置与调节电源(9)连接；
其中，通过如下步骤搭建自清洁环境装置：
将低导电率流体(6)盛装于流体腔(1)之内，作为油污薄膜表面(2)自清洁过程的操作环境；
在基底金属(4)外表面喷涂介电材料层(3)，将基底金属(4)完全包裹；
将油污薄膜表面(2)与介电材料层(3)的外表面紧密贴合，并共同置于低导电率流体(6)之中；
其中：
调节电源(9)的输出电压阈值V满足：
其中，σ表示油膜(5)与低导电率流体(6)之间的界面张力，d表示介电材料层(3)的厚度，ε表示介电材料层(3)的介电常数，ε0表示真空介电常数，θ0表示油膜(5)在油污表面的初始接触角；C表示介电材料层(3)的介电强度；
当油污薄膜表面(2)所施电压大于输出电压阈值V时，接触性的快速移动和接触角的快速增加引起油污薄膜表面(2)上的油膜(5)收缩，在动态能及惯性作用，使得油膜(5)完全收缩成独立油滴，并在薄膜表面弹起。
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