仿生自清洁金属纤维过滤材料

采用 Ｘ－射 线 衍 射 仪 （ＸＲＤ，Ｄ／ｍａｘ ２５００ＰＣ， Ｒｉｇａｋｕ，Ｊａｐａｎ）对 镀 层 的 晶 体 结 构 和 晶 粒 尺 寸 进 行 标 定 。 利 用 扫 描 电 子 显 微 镜 （ＳＥＭ，ＪＳＭ－５６００， ＪＥＯＬ，Ｊａｐａｎ）观 察 镀 层 表 面 形 貌 。 利 用 透 射 电 子 显微 镜 （ＴＥＭ，Ｈ－８００，ＨＩＴＡＣＨＩ，Ｊａｐａｎ）对 镀 层 进行微观结构分析，加速电压为 ２００ｋＶ。 采用光 学 接 触 角 测 量 仪 （ＯＣＡＭ ） （ＣＡ－ＤＴ，Ｋｙｏｗａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｊａｐａｎ）测 量 原 始 金 属 丝 网 和 涂 镀 Ｎｉ－Ｐ 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 节 注 射 器 精确控制注射器液滴的大小（３μＬ 左右），丝 网 表 面接触角 通 过 集 成 在 ＯＣＡＭ 中 的 ＳＣＡ２０ 软 件 测量。
化学 镀 Ｎｉ－Ｐ 的 主 要 溶 液 成 分 为：ＮｉＳＯ４ （１５ ｇ／Ｌ）、次 亚 磷 酸 钠 （１４ｇ／Ｌ）、乙 酸 钠 （１３ｇ／Ｌ）。 溶液温度 控 制 在 ８０℃。 本 实 验 选 取 沉 积 时 间 分 别 为 ２０、４０、６０、８０ 和 １００ ｍｉｎ 的 丝 网 试 样 。 １．２ Ｎｉ－Ｐ 镀层表面形态表征及接触角检测手段
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎｔｉ－ａｄｈｅｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｓｏｉｌ ａｎｉｍａｌ ｂｏｄｙ ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｓｅｌｆ－ｃｌｅａｎｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｓｕｒｆａｃｅｓ，ｔｈｅ ｂｉｏｎｉｃ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｆｉｂｒｏｕｓ ｆｉｌｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｉｎｇ ｎｉｃｋｅｌ－ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｓ－ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｍｅｔａｌ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ （ＸＲＤ）．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ （ＳＥＭ）ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ＴＥＭ）． Ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅｓ （ＷＣＡ）ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅ ｍｅｔｅｒ （ＯＣＡＭ ）．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｃａｋｅ ｆｏｒｍｅｄ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｂｉｏｎｉｃ ｗｉｒｅ ｍｅｓｈ ｆｉｌｔｅｒ，ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｂａｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｓ ｎｏｔ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｇｅｔ ｓｏｍｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｂｉｏｎｉｃｓ；ｂｉｏｎｉｃ ｓｅｌｆ－ｃｌｅａｎｉｎｇ；ｍｅｔａｌｌｉｃ ｆｉｂｒｏｕｓ ｆｉｌｔｅｒ；ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｇｌｅｓ； ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ
１．１ 金属丝网表面 Ｎｉ－Ｐ 镀层的制备工艺 在 Ｎｉ－Ｐ 镀层制 备 之 前 首 先 进 行 丝 网 表 面 清
洗以获得理想的 表 面 催 化 活 性，它 主 要 包 括 碱 清 洗、酸清洗和 超 声 清 洗。 碱 清 洗 是 为 了 除 掉 丝 网 表 面 油 脂 ，使 用 如 下 含 有 表 面 活 性 剂 的 碱 性 溶 液 ：
０ 引 言
目前人们开发了多种技术来降低柴油机尾气
微粒的排放，其 中 柴 油 机 尾 气 微 粒 捕 集 器 （ＤＰＦ） 以其优异的性能和便于实施而受到人们越来越多 的关注 。 ［１］ 但是基于过滤方法的微粒捕集器 在 过
收 稿 日 期 ：２０１０－０７－１２． 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 （５０６３５０３０）． 作 者 简 介 ：尚 涛 （１９６８－），男 ，副 教 授 ，博 士 ．研 究 方 向 ：仿 生 耦 合 机 理 与 应 用 技 术 研 究 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｎｇｔａｏ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 通 信 作 者 ：任 露 泉 （１９４４－），男 ，教 授 ，中 国 科 学 院 院 士 ．研 究 方 向 ：仿 生 耦 合 机 理 与 应 用 技 术 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｑｒｅｎ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
ｆｉｌｔｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
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吉 林 大 学 学 报 （工 学 版 ）
以荷叶为代表的很多生物体表面都具有超疏 水特性（与 水 的 表 面 接 触 角 大 于 １５０°）和 自 清 洁 能 力 ，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。通过开发这种特 殊功能过滤材料有希望使得沉积在过滤材料表面 的滤饼在 重 力 或 振 动 的 辅 助 作 用 下 实 现 自 动 脱 离，最终实现 ＤＰＦ 的自动再生。
Ａ－金属丝网试样；Ｂ－Ｕ 形 管 测 压 机；Ｃ－热 球 风 速 仪；Ｄ－鼓 风 机；Ｅ－ 整 流 管 ；Ｆ－流 量 阀 ；Ｇ－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 Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｗｉｒｅ ｍｅｓｈ ｆｉｌｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ａｎｄ
（１．吉林大学 机械科学与工程学院，长春 １３００２２；２．吉林大学 仿生工程教育部重点实验室，长春 １３００２２）
摘 要：基于土壤生物体表的脱附特性和以荷叶为代表的生物体表的自清洁特性 ，通过化学涂 镀的方法在金属纤维表面制备 Ｎｉ－Ｐ 合金镀层，对 仿 生 金 属 纤 维 自 清 洁 过 滤 材 料 进 行 了 研 究。 应用 Ｘ 射线衍射仪（ＸＲＤ）研究了镀层的晶体结构和晶粒尺寸，应用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）和 透射电子显微 镜 （ＴＥＭ）观 察 了 镀 层 的 表 面 结 构 和 表 面 形 貌 特 征，应 用 光 学 接 触 角 测 量 仪 （ＯＣＡＭ）测量了金属丝网 表 面 的 水 接 触 角 （ＷＣＡ），并 对 纤 维 材 料 过 滤 效 率 和 压 降 进 行 了 讨 论。实验结果表明，经过表面处理后的仿生金属丝网 过 滤 材 料 表 面 润 湿 特 性 得 到 了 明 显 的 改 善 ，压 降 没 有 大 幅 度 的 增 加 ，过 滤 效 率 得 到 了 一 定 程 度 的 提 高 。 关 键 词 ：工 程 仿 生 学 ；仿 生 自 清 洁 ；金 属 纤 维 过 滤 材 料 ；润 湿 角 ；过 滤 效 率 ；过 滤 压 降 中 图 分 类 号 ：ＴＢ１７ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７１－５４９７（２０１１）Ｓｕｐ．１－０１６８－０５
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 察 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 研 究 对 象，通 过 化 学 涂 镀 的 方法在其表 面 制 备 了 纳 米 尺 度 的 Ｎｉ－Ｐ 镀 层。 应 用接触角测量仪和扫描电子显微镜分别研究了不 同涂镀时 间 的 金 属 丝 网 的 润 湿 性 和 表 面 形 貌 特 征，并测量了不同 涂 镀 时 间 的 金 属 丝 网 的 过 滤 背 压和过滤效率，讨论了 Ｎｉ－Ｐ 镀层对金属丝网润湿 性 、过 滤 背 压 和 过 滤 效 率 的 影 响 。
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 器背压 升 高 从 而 影 响 发 动 机 性 能 。 ［２］ 因 此 ＤＰＦ 滤芯合理有效的再生方法是研究的重点和难点。 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 复 杂 的 形 状，是 一 种 重 要 的 ＤＰＦ 滤芯材料［３－５］，主要 包 括 金 属 丝 网、金 属 纤 维 毡 、烧 结 金 属 纤 维 等 。
ＮａＯＨ，２０ ～ ４０ ｇ／Ｌ；ＮａＣＯ３，２０ ～ ３０ ｇ／Ｌ； Ｎａ３ＰＯ４·１２Ｈ２Ｏ，５～１０ｇ／Ｌ，ＯＰ－１０ 乳 化 剂，１～ ３ｇ／Ｌ。溶 液 温 度 控 制 在 ７０℃，清 洗 时 间 为 １０ ｍｉｎ。酸清洗 是 为 了 除 净 丝 网 表 面 氧 化 物，碱 清 洗 后 的 试 样 浸 入 ２０％ＨＣｌ溶 液 ２ ｍｉｎ。 酸 清 洗 后 丝网浸入丙酮溶液中 超 声 清 洗 １５ ｍｉｎ，后 浸 入 去 离 子 水 中 超 声 清 洗 ５ ｍｉｎ 待 用 。
第 ４１ 卷 增 刊 １ ２０１１ 年 ７ 月
吉 林 大 学 学 报 （工 学 版 ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ．４１ Ｓｕｐ．１ Ｊｕｌｙ ２０１１
仿生自清洁金属纤维过滤材料
尚 涛１，２，李 涛１，刘 先 黎２，任 露 泉２
研究表明：生物表面的微－纳非光滑结构 是 其 优良的表面 润 湿 特 性 的 重 要 原 因 之 一 。 ［６－７］ 化 学 涂镀方法是一种在各种金属或非金属表面制备均 匀的金属薄层的简便可行的方法 。 ［８］ 化学镀 镍 磷 合金（Ｎｉ－Ｐ）工 艺 是 一 种 低 成 本、无 污 染 的 表 面 保 护 和 表 面 强 化 技 术 手 段 ，镀 层 表 面 具 有 高 硬 度 、高 耐蚀性［８－９］、高 耐 磨 性［１０］。 镍 磷 合 金 镀 层 的 厚 度 会随着沉积时间的增加而增加。尤其在最近的研 究中［１１－１２］，Ｎｉ－Ｐ 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 重要的发现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。