仿生自清洁金属纤维过滤材料

第第页仿生自清洁金属纤维过滤材料第４１卷增刊１２０１１年７月

吉林高校学报〔工学版〕

〕ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＥｎｉｎｅｅｒｉｎａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＥｄｉｔｉｏｎｙ〔ｇｇｇｙ

ｏｌ．４１Ｓｕ．１Ｖｐｕｌ２０１１Ｊｙ

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

〔〕吉林高校机械科学与工程学院，长春１吉林高校仿生工程教育部重点试验室，长春１１．３００２２；２．３００２２

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器背压上升从而影响发动机性能［ＰＦ

滤芯合理有效的再生方法是讨论的重点和难点。

／／ＮａＯＨ，２０～４０ｇＬ；ＮａＣＯ２０～３０ｇＬ；３，

／ＮａＰＯ１２Ｈ２Ｏ，５～１０ｇＬ，ＯＰ１０乳化剂，１～－３４／清洗时间为１３ｇＬ。溶液温度掌握在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

溶液温度掌握在８０℃。本试验选取沉积时间分别为２０、４０、６０、８０和１００ｍｉｎ的丝网试样。１．２ＮｉＰ镀层表面形态表征及接触角检测手段－

／采纳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〕观测镀层表面形貌。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。采纳光学接触角测量仪〔ＯＣＡＭ〕〔ＣＡ－ＤＴ，Ｋｏｗａｙ，〕测量原始金属丝网和涂ＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅＪａａｎｐ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整注射器，精确掌握注射器液滴的大小〔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纳热球风速仪备。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。以一般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繁复的外形，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、

以荷叶为代表的许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技能，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。通过开发这种非常功能过滤材料有盼望使得沉积在过滤材料表面的滤饼在重力或振动的帮助作用下实现自动脱离，最终实现ＤＰＦ的自动再生。

讨论说明：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缘由之一［

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。这一重要的发觉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测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讨论对象，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讨论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，争论了ＮｉＰ镀层对金属丝网润湿－性、过滤背压和过滤效率的影响。

１试验方法

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抱负的表面催化活性，

洗、酸清洗和超声清洗。碱清洗是为了除掉丝网表面油脂，运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．１Ｓｋｅｔｃｈｍａｏｆｗｉｒｅｍｅｓｈｆｉｌｔｅｒｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏａｎｄｇｐｐｐ

ｆｉｌｔｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｔｅｓｔｅｕｉｍｅｎｔｙｑｐ

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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试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整。

２试验结果和争论

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：衍射峰主峰涌现了明显的宽化、与纯镍的衍射峰位置相比发生了微小的偏移，这说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改变Ｆｉ．３ａｒｉａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｃｏｎｔａｃｔａｎｌｅｗｉｔｈｄｅｏｓｉｔｉｏｎｔｉｍｅＶｇｇｐ

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］

。讨论结果显示随着涂镀时间的增构特别类似［

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２ＮｉＰ镀层的ＸＲＤ分析结果－Ｆｉ．２ＸＲＤａｔｔｅｒｎｏｆＮｉＰｆｉｌｍ－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断了丝网表面规章的非光滑结构，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像。初始金属丝网表面较高的接触角可能与这种非常结构有关。随着涂镀时间的增加丝网润湿角渐渐上升，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快速下降，。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章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．４Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｍａｒｉｓｏｎｏｆｂｕｔｔｅｒｆｌｇｐｙ

ａｎｄｗｉｒｅｍｅｓｈ

图６为丝网压降随化学涂镀时间的改变关

／，系，试验空气流速为２ｍ环境温度为２ｓ０℃。实随着涂镀时间从０增加到６验结果说明，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：

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始在丝网纤维表面涌现较大的集聚体所导致的。

扩散过滤机理和径直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．５ＳＥＭａｎｄＴＥＭｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓｌａｔｉｎＮｉ－ｇｐｇ

Ｐｃｏａｔｉｎｓｗｉｔｈ６０ｍｉｎｄｅｏｓｉｔｉｏｎｔｉｍｅｇｐ

属纤维表面掩盖氧化铝涂层〔ｃｏａｔｅｄｗｉｔｈ

〕增加过滤器的过滤效率，这在肯定程度ａｌｕｍｉｎａ上印证本文试验的结果

。

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．７Ｗｉｒｅｍｅｓｈｓｕｒｆａｃｅｔｏｏｒａｈｉｎｇｐｇｐｙ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｏｓｉｔｉｏｎｔｉｍ

ｅｐ

图６丝网压降随涂镀时间的改变

ｒｅｓｓｕｒｅＦｉ．６ａｒｉａｔｉｏｎｏｆｄｒｏｗｉｔｈｔｈｅｄｅｏｓｉｔｉｏｎｔｉｍｅＶｐｇｐｐ

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镀层较为匀称的－沉积在金属纤维表面，对金属纤维的总体形状影〕响较小，由式〔可知，此时金属丝网填充密度不２会发生明显的改变，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合金颗粒快速增加，－

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改变规律。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发觉，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改变Ｆｉ．８ａｒｉａｔｉｏｎｏｆｆｉｌｔｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｗｉｔｈｄｅｏｓｉｔｉｏｎｔｉｍｅＶｇｙｐ

对比图３、图６和图８发觉，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肯定程度上提高了纤维材料的过滤效率。

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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。试验说明：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