资源描述：
《在金属表面络合网格状高分子膜实现滴状冷凝的md模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第21卷第1期中国科学院研究生院学报Vol121No112004年1月JournaloftheGraduateSchooloftheChineseAcademyofSciencesJan12004文章编号:1002-1175(2004)0120026207在金属表面络合网格状高分子膜实现滴状冷凝的MD模拟研究梁世强徐靖中(中国科学院工程热物理研究所,北京100080)(2003年1月3日收稿;2003年2月17日收修改稿)摘要提出了在铜表面络合上一种网格状高分子膜来实现水蒸汽滴状冷凝的新模型。预计这种单分子层的高分子膜可以被大片的配位键牢牢地
2、粘附在金属表面上,并具有可自修复的特性,因而可望获得超长使用寿命和较高传热效率的滴状冷凝表面。根据相关的成膜或成滴的判据,用分子动力学模拟方法计算了水分子的内聚能和表面的吸附能。结果表明,在这种网格状高分子膜的表面上可以实现滴状冷凝。并且,通过观察粒子的平衡位型分布,可以看到网格状高分子中的大环结构可能起到核化中心位的作用。关键词滴状冷凝,网格状高分子,MD,核化中心位中图分类号TK1241引言[1]滴状冷凝是一种高效传热过程,其换热系数可达膜状凝结时的5至10倍以上,若能在工业中实现该过程,将会大幅度减小换热面积,既能获得节能效果,又能降低
3、设备成本,有显著的经济效益。然而从20世纪30年代发现这种现象以来,滴状冷凝的工业应用进程一直没能取得质的飞跃,并且有关滴状冷[2-8]凝的热物理过程的机理至今仍是热能工程界努力探索的课题。蒸汽在固体表面上呈滴状冷凝的必要条件是该表面具有较低的表面能,即固体表面不被该蒸汽的冷[9]凝液所湿润,若要实现滴状冷凝在工业中的应用,必须开发一种长久维持滴状的低表面能的表面。金属及其氧化物表面为高能表面,而工业冷凝器多为金属材料制造,所以膜状冷凝为普遍现象。因此要在金属表面上获得滴状冷凝,必须降低其表面能,迄今为止,一般都采用在金属表面外加一层具有低表
4、面能的材[10]料。赵起等比较全面地总结了实现水蒸汽滴状冷凝的方法:(1)预先在金属表面涂有憎水基的有机物;(2)间歇或连续地往蒸汽中添加有机促进剂;(3)在金属表面上涂金属硫化物等无机化合物;(4)在金属表面上镀贵金属;(5)在金属表面上涂高分子聚合物;(6)低表面能表面合金。这些方法在不同程度上实现了水蒸汽滴状冷凝,但是在蒸汽污染上,或在表面腐蚀上,或在附加热阻上,或在可重复性上,或在使用寿命上,或在制备成本上,或多或少地存在问题,因而尚不能满足工业应用的需要。其中,最后两种方法是近[11,12][13]10年来最受关注的方法。采用离子镀
5、或离子注入技术在数10到数百纳米的金属表层内制备低表面能的表面合金材料,虽然能较长时间维持稳定的滴状冷凝,但成本高、规模小,因而也无法工业化;曾[14]经被认为是滴状冷凝工业化最有前途的有机高分子聚合物表面,也因没能解决附加热阻和结合强度[15]问题而没有得到应有的发展。马学虎等用离子束混合注入法制备出超薄PTFE表面,一定程度上解决了上面两个问题,但与工业实际应用还有一定距离。尽管如此,这些卓有成效的研究工作还是逐渐地使滴状冷凝表面工业化的前景越来越清晰了。本文主要针对以往研究中存在的滴状冷凝表面高分子涂层材料结合强度不够、附加热阻高和易腐
6、蚀剥落等缺点,提出了在金属表面络合1层网格状高分子聚合物的研究设想。这种方法吸收并强化了在金第1期梁世强,徐靖中:在金属表面络合网格状高分子膜实现滴状冷凝的MD模拟研究27[16]属表面络合疏水性有机分子的优点,有望大大增加金属与涂层的结合强度,并提高整体传热效率。2网格状高分子涂层模型图1为滴状冷凝表面网格状高分子涂层示意图。图中大环结构即为网格状高分子的一个“格",整个网格状高分子是由很多个类似这样的“格"交错联结而构成的。这类高分子称为互穿网络高分子(IPNs)。[17]早在1976年,Belonovskaya等就用二异氰酸等合成了类似
7、的聚合物(见图2)。图1在金属表面络合网格状高分子膜的滴状冷凝表面模型示意图图2互穿网络高分子单元体的合成图2中的反应还可以继续下去,在一定控制条件下,可以生成一系列互相联结的类似图1中的单元格,形成网格状高分子聚合物。由于位阻效应,这类高分子容易铺展成片状;涂覆在金属表面上时,容易形成单分子层,从而得到附加热阻小的超薄涂层。每个单元格应具有如下特征:①有多个能够提供孤对电子的原子,如N;②有多种强疏水基团,如苯环;③有稳定的大环状结构,如图1中的二十四元杂环。这些特征对于能否实现长效的滴状冷凝是至关重要的。首先,具有孤对电子的原子,能够与金
8、属离子或原子形成2++强度较高的配位键(如N→Cu和N→Cu等).大面积的配位键像图钉一样把高分子膜牢牢地钉在金属表面上。网格状高分子互相牵制的网状结构,能够使个别
