超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用与流程

本发明属于功能材料及流体输运技术领域，具体涉及一种超疏水铜锥的制备方法，可用于水下气体的精确调控，解决了气泡在产生和上升的过程中体积很难调控的难题，同时也提供了一种新型的压力感应器。

背景技术：

水中气泡的存在具有很广泛的用途，如食品工程，有用矿物浮选和水下船舶减阻。但是，在几乎所有的应用中，气泡的尺寸控制是很重要的。在食品工程方面，气泡的尺寸将会影响饮料的口感。香槟的口感优于含气葡萄酒主要是因为前者中气泡的尺寸小于后者。在有用矿物浮选方面，对于微米级以下的粒子，超小的气泡可以直接增大浮选回收率。但是，在减阻方面，当气泡的尺寸比较大的时候表面摩擦减阻可以持续比较长的距离。即大气泡在船只减阻方面更有效。

但是，控制气泡的尺寸却具有很大的挑战。气泡在液体中产生的过程中，气泡的尺寸将会受到许多影响因素。如：气体和液体流速、微孔的结构和尺寸以及液体的物理性质(包括表面张力、黏度和流变特性)。气泡在液体中的上升过程中，它会由于浮力而上升并最终在水面爆破。在这个过程中，气泡的尺寸将会受到静水压和温度的影响。

因此，直接控制气泡的尺寸是具有很大困难的。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种超疏水铜锥的制备方法，并将其用于水相中气体的精确调控。根据毛笔的锥状结构能实现调控液滴并持续可控地转移至纸上，本发明将锥状结构应用于对水下气体的调控。本发明采用梯度电化学腐蚀的方法，制备出铜锥，并用超疏水sio2纳米粒子溶液对其进行化学修饰，得到超疏水铜锥。其对水的接触角可以达到160.5°。超疏水铜锥可实现水下气体的精确调控。此外，超疏水铜锥对气泡的调控，也可以应用于制备新型压力感应器。

所述的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用具体包括以下步骤：

(1)铜丝预处理：将直径为1mm的市售铜丝用p1500的砂纸打磨，并依次用氢氧化钠、盐酸、乙醇、丙酮、去离子水超声冲洗15min，之后用氮气吹干待用。

(2)铜锥的制备：将(1)中铜丝浸在盛有50ml浓度为0.1mol/l硫酸铜溶液的小玻璃槽中，将其作为阳极，用铜片作为阴极，电解电压为10v，将小玻璃槽固定在升降台上(升降速度为1.0mm/s)，约300次循环过后，铜锥就形成了。其中，升降台一升一降为1次循环。

(3)超疏水铜锥的制备：将(2)中制备的铜锥用0.1mol/l的盐酸和去离子水依次清洗，用氮气吹干。接着用超疏水sio2纳米粒子溶液对铜锥进行梯度修饰，从而就成功地制备了超疏水铜锥。其中梯度修饰为将锥垂直插入超疏水sio2纳米粒子溶液中，然后垂直移出。

本发明中超疏水sio2纳米粒子溶液为将0.2gsio2纳米粒子溶于pmma浓度为5g/l的chcl3中制得的溶液。

(4)超疏水铜锥调控水下气体：将(3)中成功制备的超疏水铜锥的底端固定于一个2*2*2cm的铁架上，并将其置于一个5*5*5cm的石英槽中，石英槽中盛有去离子水。用注射泵以5ml/h的速度往锥的表面注射气泡，制得悬挂着气泡的超疏水铜锥装置。

(5)将上述超疏水铜锥装置应用于压力感应器：将悬挂着气泡的超疏水铜锥装置(4)，置于真空干燥器中，用油泵降低此装置内部压力。

本发明的优点在于：

1、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，制备方法简单，原料易得，成本低。

2、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，可用于水下气体的精确调控，在生产、环保等领域具有广泛用途。

3、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，其超疏水铜锥对水的接触角为160.5°，对气的接触角为0°，达到了超疏水超亲气的要求，为实现超疏水材料的制备提供了另一种可能。

4、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，可实现超疏水铜锥不同位置悬挂不同体积的气泡，且锥的尖端悬挂的气泡体积是最大的。

5、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，该方法利用超疏水铜锥的锥形结构所产生的拉普拉斯压力为抵抗气泡离开的拉力，气泡本身的浮力为拖拽力，当两者达到力的平衡时，气泡稳定地悬挂在铜锥上。这样，就提供了一个稳定的气液界面，值得提倡。

6、本发明提出的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，可实现随着压力的改变，气泡在超疏水铜锥上的位置的变化。也可以根据气泡在超疏水铜锥上位置的变化，来推测压力的变化。因此，也就提出了一种新型的压力感应器。

附图说明

图1：本发明提出的超疏水铜锥的制备方法。

图2：采用本发明方法制备的超疏水铜锥的低倍及局部放大的扫描电镜照片(sem)。

图3：采用本发明方法制备的超疏水铜锥对水和气体的接触角。

图4：采用本发明方法制备的超疏水铜锥调控水下气体的过程照片。

图5：采用本发明方法制备的超疏水铜锥调控水下气体的影响因素(锥角、倾角)。

图6：本发明中用于解释超疏水铜锥调控水下气体的机理示意图。

图7：本发明中应用于压力感应器的图示。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外应理解，在阅读本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样属于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提出了超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，包括以下步骤；

(1)铜丝预处理：将直径为1mm的市售铜丝用p1500的砂纸打磨，并依次用氢氧化钠、盐酸、乙醇、丙酮、去离子水超声冲洗15min，之后用氮气吹干待用。

(2)铜锥的制备：将(1)中铜丝浸在盛有50ml浓度为0.1mol/l硫酸铜溶液的小玻璃槽中，将其作为阳极，用铜片作为阴极，电解电压为10v，将小玻璃槽固定在升降台上(升降速度为1.0mm/s)，约300次循环过后，铜锥就形成了(如图1所示)。

(3)超疏水铜锥的制备：将(2)中制备的铜锥用0.1mol/l的盐酸和去离子水依次清洗，用氮气吹干。接着用超疏水sio2纳米粒子溶液对铜锥进行梯度修饰，从而就成功地制备了超疏水铜锥。其形貌和局部放大图(如图2所示)

(4)超疏水铜锥调控水下气体：将(3)中成功制备的超疏水铜锥的底端固定于一个2*2*2cm的铁架上，并将其置于一个5*5*5cm的石英槽中，石英槽中盛有去离子水。用注射泵以5ml/h的速度往超疏水铜锥的表面注射气泡，制得悬挂着气泡的超疏水铜锥装置。

(5)应用于压力感应器：将悬挂着气泡的超疏水铜锥装置(4)，置于真空干燥器中，用油泵降低此装置内部压力。

采用本发明制备的超疏水铜锥，其表面由许多超疏水纳米粒子的堆积，对水和气体的接触角分别为160.5°和0°(如图3所示)。将其用于对水下气体进行调控，我们发现，1.相同的气泡无论是从锥的尖端或底端释放，气泡都会到达锥上的同一平衡位置(如图4a所示)。2.不同大小的气泡在超疏水铜锥上具有不同的平衡位置(如图4b所示)。3.超疏水铜锥上不同位置可以悬挂不同体积的气泡，超疏水铜锥尖端悬挂的气泡体积最大(如图4c所示)。采用本发明方法制备的超疏水铜锥调控水下气体的影响因素(锥角、倾角)，我们发现随着超疏水铜锥的锥角的增加，超疏水铜锥所能悬挂气泡的最大体积是增大的(如图5a-b所示)。随着超疏水铜锥倾角的增大，超疏水铜锥所能悬挂气泡的最大体积是减少的(如图5c-d所示)。本发明中用于解释超疏水铜锥调控水下气体的机理示意图(如图6所示)。本发明应用于压力感应器，即降低压力，超疏水铜锥上气泡的体积变大并且往锥的顶端移动(如图7所示)。

实施例1

本实施例提出的采用本发明制备的超疏水铜锥调控水下气体的方法，包括以下几个步骤；

(1)铜丝预处理：将直径为1mm的市售铜丝用p1500的砂纸打磨，并依次用氢氧化钠、盐酸、乙醇、丙酮、去离子水超声冲洗15min，之后用氮气吹干待用。

(2)铜锥的制备：将(1)中铜丝浸在盛有50ml浓度为0.1mol/l硫酸铜溶液的小玻璃槽中，将其作为阳极，用铜片作为阴极，电解电压为10v，将小玻璃槽固定在升降台上(升降速度为1.0mm/s)，约300次循环过后，铜锥就形成了。

(3)超疏水铜锥的制备：将(2)中制备的铜锥用0.1mol/l的盐酸和去离子水依次清洗，用氮气吹干。接着用超疏水sio2纳米粒子溶液对铜锥进行梯度修饰，从而就成功地制备了超疏水铜锥。其形貌和局部放大图(如图2所示)

(4)超疏水铜锥调控水下气体：将(3)中成功制备的超疏水铜锥的底端固定于一个2*2*2cm的铁架上，并将其置于一个5*5*5cm的石英槽中，石英槽中盛有去离子水。用注射泵以5ml/h的速度分别往超疏水铜锥的顶端和底端注射气泡(如图4a所示)，制得悬挂着气泡的超疏水铜锥装置。

相同的气泡无论从锥的顶端还是底端释放，均会到达锥上的同一平衡位置。

实施例2

本实施例提出的采用本发明制备的超疏水铜锥调控水下气体的方法，包括以下几个步骤；

(1)铜丝预处理：将直径为1mm的市售铜丝用p1500的砂纸打磨，并依次用氢氧化钠、盐酸、乙醇、丙酮、去离子水超声冲洗15min，之后用氮气吹干待用。

(2)铜锥的制备：将(1)中铜丝浸在盛有50ml浓度为0.1mol/l硫酸铜溶液的小玻璃槽中，将其作为阳极，用铜片作为阴极，电解电压为10v，将小玻璃槽固定在升降台上(升降速度为1.0mm/s)，约300次循环过后，铜锥就形成了。

(3)超疏水铜锥的制备：将(2)中制备的铜锥用0.1mol/l的盐酸和去离子水依次清洗，用氮气吹干。接着用超疏水sio2纳米粒子溶液对铜锥进行梯度修饰，从而就成功地制备了超疏水铜锥。其形貌和局部放大图(如图2所示)

(4)超疏水铜锥调控水下气体：将(3)中成功制备的超疏水铜锥的底端固定于一个2*2*2cm的铁架上，并将其置于一个5*5*5cm的石英槽中，石英槽中盛有去离子水。用注射泵以5ml/h的速度从顶端往悬挂有一个气泡的超疏水铜锥的表面注射气泡(如图4b所示)，制得悬挂着气泡的超疏水铜锥装置。

不同大小的气泡在超疏水铜锥上具有不同的平衡位置(如图4b所示)

实施例3

本实施例提出的采用本发明制备的超疏水铜锥调控水下气体的方法，包括以下几个步骤；

(1)铜丝预处理：将直径为1mm的市售铜丝用p1500的砂纸打磨，并依次用氢氧化钠、盐酸、乙醇、丙酮、去离子水超声冲洗15min，之后用氮气吹干待用。

(2)铜锥的制备：将(1)中铜丝浸在盛有50ml浓度为0.1mol/l硫酸铜溶液的小玻璃槽中，将其作为阳极，用铜片作为阴极，电解电压为10v，将小玻璃槽固定在升降台上(升降速度为1.0mm/s)，约300次循环过后，铜锥就形成了。

(3)超疏水铜锥的制备：将(2)中制备的铜锥用0.1mol/l的盐酸和去离子水依次清洗，用氮气吹干。接着用超疏水sio2纳米粒子溶液对铜锥进行梯度修饰，从而就成功地制备了超疏水铜锥。其形貌和局部放大图(如图2所示)

(4)超疏水铜锥调控水下气体：将(3)中成功制备的超疏水铜锥的底端固定于一个2*2*2cm的铁架上，并将其置于一个5*5*5cm的石英槽中，石英槽中盛有去离子水。用注射泵以5ml/h的速度从超疏水铜锥的底端注射气泡(如图4c所示)，制得悬挂着气泡的超疏水铜锥装置。

超疏水铜锥上不同位置可以悬挂不同体积的气泡，超疏水铜锥尖端悬挂的气泡体积最大(如图4c所示)

实施例4

本实施例提出的采用本发明制备的超疏水铜锥调控水下气体的方法，包括以下几个步骤；

(1)铜丝预处理：将直径为1mm的市售铜丝用p1500的砂纸打磨，并依次用氢氧化钠、盐酸、乙醇、丙酮、去离子水超声冲洗15min，之后用氮气吹干待用。

(2)铜锥的制备：将(1)中铜丝浸在盛有50ml浓度为0.1mol/l硫酸铜溶液的小玻璃槽中，将其作为阳极，用铜片作为阴极，电解电压为10v，将小玻璃槽固定在升降台上(升降速度为1.0mm/s)，约300次循环过后，铜锥就形成了。

(3)超疏水铜锥的制备：将(2)中制备的铜锥用0.1mol/l的盐酸和去离子水依次清洗，用氮气吹干。接着用超疏水sio2纳米粒子溶液对铜锥进行梯度修饰，从而就成功地制备了超疏水铜锥。其形貌和局部放大图(如图2所示)。

(4)超疏水铜锥调控水下气体：将(3)中成功制备的超疏水铜锥的底端固定于一个2*2*2cm的铁架上，并将其置于一个5*5*5cm的石英槽中，石英槽中盛有去离子水。用注射泵以5ml/h的速度从超疏水铜锥的底端注射气泡，制得悬挂着气泡的超疏水铜锥装置，考虑超疏水铜锥的锥角和倾角对悬挂气泡体积的影响(如图5所示)。

随着超疏水铜锥的锥角的增加，超疏水铜锥所能悬挂气泡的最大体积是增大的(如图5a-b所示)。随着超疏水铜锥倾角的增大，超疏水铜锥所能悬挂气泡的最大体积是减少的(如图5c-d所示).

实施例5

本实施例提出的采用本发明制备的超疏水铜锥调控水下气体的方法及其于压力感应器中的应用，包括以下几个步骤；

(1)铜丝预处理：将直径为1mm的市售铜丝用p1500的砂纸打磨，并依次用氢氧化钠、盐酸、乙醇、丙酮、去离子水超声冲洗15min，之后用氮气吹干待用。

(2)铜锥的制备：将(1)中铜丝浸在盛有50ml浓度为0.1mol/l硫酸铜溶液的小玻璃槽中，将其作为阳极，用铜片作为阴极，电解电压为10v，将小玻璃槽固定在升降台上(升降速度为1.0mm/s)，约300次循环过后，铜锥就形成了。

(3)超疏水铜锥的制备：将(2)中制备的铜锥用0.1mol/l的盐酸和去离子水依次清洗，用氮气吹干。接着用超疏水sio2纳米粒子溶液对铜锥进行梯度修饰，从而就成功地制备了超疏水铜锥。其形貌和局部放大图(如图2所示)

(4)超疏水铜锥调控水下气体：将(3)中成功制备的超疏水铜锥的底端固定于一个2*2*2cm的铁架上，并将其置于一个5*5*5cm的石英槽中，石英槽中盛有去离子水。用注射泵以5ml/h的速度从超疏水铜锥的底端注射一个气泡，制得悬挂着气泡的超疏水铜锥装置。

(5)应用于压力感应器：将悬挂着气泡的超疏水铜锥装置(4)，置于真空干燥器中，用油泵降低此装置内部压力(如图7所示)。

降低压力，超疏水铜锥上气泡的体积变大并且往锥的顶端移动(如图7所示)。