技术领域
[0001] 本
发明涉及一种陶瓷膜的制备方法及其应用，尤其涉及一种具有毛细结构及超级浸润抽吸性能的陶瓷膜的制备及其应用。
背景技术
[0002] 表面浸润性是固体表面的一个重要特征，通常以
接触角来表征液体对固体的浸润程度。一般来说，固体表面与
水的接触角大于90°时，称之为疏水表面；小于90°时，称之为亲水表面。近年来，也有人提出以65°接触角作为亲水和疏水的界限。
[0003] 由于对液体良好的浸润性，亲水表面可广泛应用于工业与生活中。比如水蒸气
凝结在亲水表面上时，容易展开为均匀连续的水膜，抑制孤立水滴的形成，能增强表面的抗雾性和透明性，这在需要防止结霜和保持透明（如
冰箱内壁、
汽车的挡
风玻璃等）的应用中很重要。另外，
空调的
冷凝器散冷翅片在工作时，空气中的水蒸气会遇冷凝结在翅片间，形成水珠。这不仅降低了翅片和空气的热交换面积，而且也增大了风阻，严重影响空调的制冷效率。而在散冷翅片上涂布亲水材料，可防止凝结时水珠的形成，减小风阻，维持较大的换热面积，从而提高空调的能效。
[0004] 溶胶-凝胶法是制备无机亲水涂层主要方法之一，反应可在较低的
温度下进行，过程易调控，但该方法一般需要紫外光照射等方式才能获得亲水性。电化学方法（如电化学沉积、
阳极氧化等）也可用于制备无机亲水涂层，但需要特殊的仪器设备，难以实现大面积表面的制备。有机亲水涂层多采用涂布的方法来获得，容易实现大规模生产，但涂层的亲水性能不够稳定，使用一定时间后会消失。
[0005] 上述亲水表面的亲水性能都是用接触角来表征的，最常报道的接触角大多为0 – 30°之间。在目前论文及
专利中，尚未见到一种亲水表面具有毛细结构，能够对水（或其它液体）产生超级浸润和抽吸作用。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于解决上述问题，提出一种具有毛细结构的陶瓷膜及其制备方法与应用。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：
[0008] 具有毛细结构和超级抽湿浸润性能的陶瓷膜，所述陶瓷膜厚度为10nm～600μm，所述陶瓷膜包括一
铝化合物基底、附着于所述基底上的基膜层，所述基膜层为氧化铝陶瓷层，所述陶瓷膜为具有平均毛细管半径为0.1-1.2mm的多孔膜，所述陶瓷膜亲水表面能使单位
质量的水滴完全铺开，形成面积不小于300 cm2/g的水膜；且亲水表面能使水分子克服自身重
力，在垂直方向自行爬升的高度不小于3.0 cm。
[0009] 优选地，所述的具有毛细结构的陶瓷膜的制备方法，包括如下步骤，[0010] S1、基底预处理
[0011] S11、基底
脱脂：将基材放入5% ～ 20% 的
硫酸槽中，脱脂，3min ～ 5min 后取出；所述基材为铝基材或铝
合金基材；
[0012] S12、第一次水洗：用
自来水反复冲洗铝基材，保证铝基材表面的PH 值＞ 5 ；
[0013] S13、
碱洗：将第一次水洗后的基材放入浓度为45kg/m3 ～ 55kg/m3，温度为40℃～ 60℃的氢氧化钠溶液中，碱洗4min ～ 8min；
[0014] S14、第二次水洗：用自来水反复冲洗铝基材，冲洗2min ～ 4min 后取出；
[0015] S15、第三次水洗：用自来水反复冲洗铝基材，冲洗2min ～ 4min，待PH 值＞5后取出；
[0016] S16、阳极氧化：用碱性
电解液、和酸性电解液以先后顺序清洗氧化，促进金属铝基材表面生成具有孔隙高，
吸附能力强的氧化铝膜，所述氧化铝膜厚度为0.3～30μm；
[0017] S17、第四次水洗：将经过阳极氧化的氧化铝膜用自来水反复冲洗，冲洗2min ～ 4min后取出，再用去离子水冲洗1min ～ 2min ；
[0018] S18、干燥：取出经化学氧化后的铝基材，经去离子水反复冲洗后干燥；
[0019] S2、氧化铝陶瓷层涂覆步骤；
[0020] S21、原料粉末准备；将α-氧化铝、有机成孔剂、
烧结助剂和其他批料组分按比例进行称量配比：所述α-氧化铝质量百分比为60％- 70％，粒径为5-30μm，所述有机成孔剂质量百分比为30％- 40%，粒径为3- 35μm；所述烧结助剂质量百分比为10％- 30%；
[0021] S22、原料混合：先将α-氧化铝、有机成孔剂混合均匀后，再与烧结助剂和其他批料组分混合：α-氧化铝和有机成孔剂为70-90 %、所述烧结助剂和其他批料组分为10-30 % 混合；
[0022] S23、混磨搅拌：在混合粉末中加入20-30 粒直径为5-12mm的氧化铝陶瓷球或
钢球，在混料机上混磨1-3h；
[0023] S24、成型：将混合原料装入模具内进行低温预热成型，所述预热成型温度为180-250℃；
[0024] S25、中温烧结及成孔；将成型后的产品转入中温烧结炉内，加热至600 ℃，所述中温炉的加热时间为2-3 h，保温1-2 h，然后随炉冷却至100℃ 以下，最后从炉子中取出最后制得的多孔陶瓷。
[0025] 优选地，所述的具有毛细结构和超级抽湿浸润性能的陶瓷膜的制备方法，所述S16的阳极氧化步骤中，所述电解液包括酸性电解液与碱性电解液，所述酸性电解液配比为：
甲酸质量百分比20 ～ 40%；
草酸质量百分比30 ～ 50%；
丙二酸质量百分比30～50%；硫酸镍质量百分比0 ～ 10%，处理参数为：氧化
电压为20～80V，
电流密度为2.0 ～ 3.5A/dm2，处理时间为0.5 ～ 3h，处理温度为10～25℃；
[0026] 所述碱性电解液配比为：
碳酸钠质量百分比40 ～ 60%；铬酸钠质量百分比15 ～ 25%；氢氧化钠质量百分比2 ～ 5%；
磷酸三钠质量百分比0 ～ 1.5%，处理参数为：氧化电压为5 ～ 35V，电流密度为1.0 ～ 2.5A/dm2，处理时间为5 ～ 60min，处理温度为85 ～ 100℃。
[0027] 优选地，所述S24低温成型中采用空气循环炉或平板炉，所述空气循环炉预热成型温度为180-250℃，低温成型时间为8-12min；所述平板炉预热成型温度为180-250 ℃，低温成型时间为3-5 min。
[0028] 优选地，所述S12中的第一次水洗冲洗时间为2min～4min。
[0029] 优选地，所述S21中其他批料为分散
溶剂。
[0030] 优选地，所述混料机为V 型结构的混料机，所述混料速度为100-150 r/min。
[0031] 本发明制备的陶瓷膜具有超级浸润，所述超级浸润是指亲水表面能使单位质量的水滴完全铺开，形成面积不小于300 cm2/g的水膜；且所述陶瓷膜具有抽吸作用，所述抽吸作用是指亲水表面能使水分子克服自身重力，在垂直方向自行爬升的高度不小于3.0 cm。
[0032] 本发明所述的陶瓷膜导热系数用德国耐驰TCT426测得。取长宽各30cm的陶瓷膜并将热线与
热电偶插入两片试样间，接通2.0A加热电流开始测试。得到升温对时间的函数，由此得出陶瓷膜的导热系数为1.0 – 30 W/m.K，与铝（或
铝合金基底）的整体导热系数率可高达200 W/m.K。陶瓷膜
工作温度高达600 ℃，在干燥条件下的
击穿电压高达DC 5000 V。该陶瓷膜具有毛细结构，其平均毛细管半径为0.1 – 1.2 mm，对液体能产生很强的毛细管作用力，尤其是对水能产生超级浸润抽吸作用。
[0033] 本发明所述的超级浸润作用，是指在常温常压下，当一滴水(体积约为0.03 cm3；质量约为0.03 g)滴落到本发明涉及的陶瓷膜上时（陶瓷膜为水平放置），水滴不能稳定存在，而是自发地向四周扩散铺展开，完全浸润陶瓷膜表面，于数分钟内在陶瓷膜上形成连续均匀的水膜，水膜与陶瓷膜表面的接触面积可高达40 cm2，也就是说，水膜与大气的接触面
2
积可高达40 cm。概括而言，单位质量的水滴在陶瓷膜上铺开形成水膜后，水膜的厚度最薄可达7.5 µm/g，其与大气的接触面积在300 – 1333 cm2/g之间。陶瓷膜对其它液体也有类似超级浸润作用。
[0034] 本发明所述的陶瓷膜超级抽吸作用，是指在常温常压下，当把陶瓷膜垂直浸入水中时，由于陶瓷膜毛细管的抽吸作用，水能够克服自身的重力，沿着陶瓷膜向上爬升，爬升高度一般高于液面3.0 - 12.0 cm。陶瓷膜对其它液体也有类似超级抽吸作用。
[0035] 本发明的有益效果主要体现在：本发明利用电化学氧化和浆料涂覆相结合的方法在铝（或铝合金）表面制备了具有毛细结构的陶瓷膜，该陶瓷膜导热性能好，热
稳定性高，尤其是对水（等液体）具有超级浸润和抽吸作用。这些作用拓展了现有亲水材料的特性和功能，并为亲水材料开辟了新的应用领域，如制冷降温、
海水淡化、以及
电子元器件的导热
散热等。
附图说明
[0036] 下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
[0037] 图1：基于陶瓷膜的制冷器结构图，此时隐藏掉了制冷器的翅片。
具体实施方式
[0038] 在本发明中，除了可以在箔、片、板等形状的铝（或铝合金）平面基底上制备陶瓷膜，也可在铝（或铝合金）丝线等非平面结构上制备得到陶瓷膜，陶瓷膜应用于各种场合。对于基底的形状并无特殊限制。
[0039] 由于陶瓷膜的超级浸润功能，水滴在陶瓷膜上形成水的膜与空气的接触面积高达2
300 – 1333 cm /g，即水膜与陶瓷膜和空气的热交换面积大，因此水膜很容易从环境吸热
蒸发，由液体变为气体。同时由于水膜的厚度非常薄（最薄可达7.5 µm/g），在厚度方向的温度梯度小，这有利于水膜的快速吸热和快速蒸发。再者，陶瓷膜有良好的导热性能，水吸热蒸发后，陶瓷膜及铝（或铝合金）基底的温度迅速降低，因此陶瓷膜可首先应用于制冷降温。
陶瓷膜用于制冷降温的优点是节约
能源，效率高以及简单方便。
[0040] 陶瓷膜对水的超级浸润性能测试
[0041] 制备宽度约为10.0 cm的以铝箔为基底的陶瓷膜，当用滴管往陶瓷膜上滴一滴水时(质量约为0.03 g，体积约为0.03 cm3)，水滴不能稳定存在，而是在1s内铺开形成直径约为2.0 cm的水膜。此水膜继续扩散，过了32 s后，直径增大到了5.2 cm。当上述水膜继续扩散，在60 s后，直径增大到了6.3 cm。此时液膜与陶瓷膜的接触面积约为30.2 cm2，所对应2
的单位质量接触面积为996.6 cm/g，单位质量水膜厚度为10.0 µm/g。
[0042] 陶瓷膜毛细管半径计算
[0043] 将一片长为20 cm、宽为5 cm陶瓷膜垂直浸入水中2 cm，长度方向保持与水面垂直，有18 cm的陶瓷膜高于水面，由此观察水沿着陶瓷膜表面的倒吸现象。60 min后，发现水在垂直方向的倒吸高度为h=12 cm。根据公式 计算陶瓷膜内毛细管的平均半径r ，所述公式中α=72.8 mN/m为水的表面
张力系数；Ɵ=20°为毛细管内液面的接触角；ρ=1000 kg/3 2
m为水的密度；g=9.8 m/s为重力
加速度，得到r=0.1 mm。
[0044] 采用上述方法对本发明中所制备的不同厚度、不同成分的陶瓷膜进行测量计算，得到毛细管半径在0.1 – 1.2 mm之间。
[0045] 陶瓷膜上水膜蒸发性能比较
[0046] 由于水滴能在陶瓷膜上完全铺开形成很薄的水膜，水膜与空气的接触面积在300 – 1333 cm2/g之间，因此相对于同等质量的水滴，水膜的蒸发速度大幅提高。在相同的环境风速1.0 m/s和环境
相对湿度65%的条件下，测量了水在不同温度下蒸发所需时间。
[0047] 表1比较了1滴水(约0.03 g)在10×10 cm2陶瓷膜上(样品#1)和在10 × 10 cm2铝箔上(样品#2)完全蒸发所需时间(所述温度指的是陶瓷膜表面和铝箔表面的温度)。
[0048] 由表1数据可见，在20 – 90 ℃的温度范围内，水膜的蒸发速度是水滴蒸发速度的10倍以上。尤其是在20 ℃，水膜只需4 – 5 min即可完全蒸发，而水滴则至少需要60 min以上才能蒸发完全。
[0049] 表1：
[0050]
[0051] 在相同的环境相对湿度65%的条件下，测量水在不同环境风速、不同表面温度下蒸发所需时间。
[0052] 表2比较了1滴水(约0.03 g)在10×10 cm2陶瓷膜上(样品#1)和在10×10cm2铝箔上(样品#2)完全蒸发所需时间(所述温度指的是陶瓷膜表面和铝箔表面的温度)。
[0053] 表2：
[0054]
[0055] 陶瓷膜的应用一:
[0056] 如图1所示，为基于陶瓷膜的制冷器结构图，所述制冷原理为在金属（铝、
铜、
不锈钢等）
真空蒸发腔1的内壁有陶瓷膜，适量的水由电磁
阀2控制通过进水管3进入蒸发腔1后，迅速在陶瓷膜上形成水膜，水膜与真空的接触面很大，在真空状态下很快蒸发变为气体，从出气管4被水气两用
泵5抽出蒸发腔到达集水箱6。然后水滴又由进水管3输入，在蒸发腔内重复水膜形成、蒸发、排出的过程，如此循环往复，循环的周期由
电磁阀的开启与关闭来控制。水膜蒸发时从环境大量吸热，例如1.0 g水蒸发要吸收大于2000 J的热量，所吸收热量能使100 g的
铝片降温10 ℃。因此水膜的快速蒸发使得蒸发腔表面的温度明显下降，该降温作用又由翅片传递到环境空气中，从而到达降低
环境温度的制冷效果。
[0057] 具体而言，制得一个铝制蒸发腔，腔体内部体积为12 cm×6 cm×2 cm，当水膜在最高
负压为80 KPa的真空度下蒸发时，产生了明显的吸热降温效果：在2 – 3 min内，腔体外表面温度由原先的25 ℃迅速降低到了14 ℃，降温幅度大于10 ℃。
[0058] 在上述制冷过程中，陶瓷膜起到了关键作用：第一，在陶瓷膜上形成的水膜，其厚度可薄到10µm，这减小了水膜在厚度方向的温度梯度，使其能够快速吸热蒸发。如果水膜厚度过大，由于水的导热系数很小（20℃时约为0.6 W/m.K），在厚度方向的温度梯度会很大、热传递会很慢，从而影响水的吸热蒸发速度。第二，陶瓷膜及铝（或铝合金）基底的平均导热系数率高达200 W/m.K，良好的导热性保证了水膜能从蒸发腔体表面快速吸热，使腔体外表面以及相连翅片的温度明显下降，达到制冷的目的。
[0059] 陶瓷膜的应用二
[0060] 基于陶瓷膜的
海水淡化原理与装置和制冷器原理与结构很相似，同样是在一个真空腔体的内壁上制备有陶瓷膜，由导水管将适量海水引入真空腔体，海水进入腔体后在陶瓷膜上浸润铺开，与真空的接触面积最大化。同时由于腔体内的真空度，海水中的水分迅速蒸发为水蒸气，经由水气两用
真空泵抽送到预先装有
淡水的集水箱中。由于在陶瓷膜上形成的水膜的厚度很薄，水膜在真空状态下于常温（20 – 30 ℃）便可迅速蒸发，无需额外加热升温，且水膜蒸发对真空度的要求也不高，负压为80 KPa的真空度即可维持快速的蒸发与淡水收集。因此，应用陶瓷膜的海水淡化技术的优点为：节能环保，结构装置简单，便于维护，成本低，用过的陶瓷膜可洗净后循环利用，所得到的淡水纯度高。在此海水淡化技术中，海水的蒸发在常温就可进行，既不需要价格昂贵的
反渗透膜，也不需要耗费太多
电能把海水加热到沸点进行蒸发。
[0061] 陶瓷膜的应用三
[0062] 陶瓷膜用作电子产品的导热散热膜时需要陶瓷膜既有优异的电绝缘性，又保持良好的导热性，故需要对陶瓷膜进行相应的处理，所述处理包括如下步骤：首先将陶瓷膜在水玻璃（Na2SiO3·9H2O）溶液中浸渍20 – 40 min, 拿出后在100 ℃度加热烘干20 – 40 min。然后将陶瓷膜在导热
树脂溶液中浸渍20– 40 min，取出在80 ℃度加热烘干60 min。以上处理步骤是将陶瓷膜中的毛细管封起来，增强了陶瓷膜的电绝缘性能和导热性能，本发明中的陶瓷膜是一种新型的导热散热材料，能满足各类电气元件对散热的苛刻要求。
[0063] 本发明尚有多种具体的实施方式，凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
