CN100577396C

CN100577396C - 解决水溶液在聚合物固体边缘倒流的方法

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Publication number: CN100577396C
Application number: CN200510011548A
Authority: CN
Inventors: 张继华; 郭朝维; 盛显良; 江雷
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: CN1843749A

Abstract

本发明涉及片材或管状固体边缘的表面处理技术，主要通过表面的超疏水化处理，提供一种彻底解决水溶液在聚合物固体边缘出现倒流现象的方法。在室温下，以4～20KPa的压强，用砂纸(GB/T 15305)对聚合物材料的边缘表面和下表面进行相同次数的打磨，使其表面与水的静态接触角接近或超过150°，达到超疏水效果，从而解决聚合物边缘的水溶液倒流问题。本发明方法设备简单，成本低，无环境污染，适应性强，可以在各种酸碱盐水溶液的接触下进行使用。

Description

解决水溶液在聚合物固体边缘倒流的方法

技术领域

本发明涉及片材、棒材或管状固体边缘的表面处理技术，主要通过表面的超疏水化处理，提供一种彻底解决水溶液在聚合物固体边缘出现倒流现象的方法。

背景技术

水溶液在固体边缘的倒流现象是普遍存在于日常生活中的现象(倒流，指液体从固体上表面，在重力作用下经过边缘不直接下落，而流经下表面一定距离的现象)。由于倒流，使水溶液不能按照预定的轨道落入相应的位置，而造成了水溶液的损失，以及不正确的流向，带来了极大的不便和危险。

为了解决倒流问题，人们已经采取了各种方法。最常见的三种方法是：

1.在管口加套口的方法：使用该方法可以改变水溶液在倒流过程的接触物体，利用新物体的形体因素(减小了水溶液倒流到下表面的面积，从而利用重力作用，克服水溶液在套口上的附着力)解决倒流问题。

2.缩小流道的方法：将固体边缘一处加工成类似“鹰嘴”的形式，通过减小流道，增加流速的方法，改变水溶液接触固体边缘的时间，从而达到解决倒流的目的。

3.综合利用两种方法：如中国专利申请号：00128143.7“自洁式瓶嘴”，加一内外瓶口装置；中国专利申请号：99243478.5“可防止容器外壁挂油的瓶嘴”，加一复杂的瓶嘴装置；中国专利申请号：92100156.8“方便节约漏嘴”，加一尖形漏嘴，或在套口处增加挡口，使液体在流动过程中划分为若干流道。

从工程学的角度，这几种方法都具有普遍意义，但他们都忽略了造成倒流现象的根本原因——表面浸润性，因而不能达到理想的效果。

下面是本发明人对以上几种方法进行测试的结果(采用普通光学玻璃为材质作为研究倒流现象的对象)：

1.套口形式

采用常用的塑料套口，水将流到套管边缘，呈现了一定程度的倒流，在一定流速条件下，由于惯性的作用，甚至沿一定的曲线绕过套口边缘，流到玻璃物体的下表面。在解决倒流的问题上几乎起不到很大的作用。

2.减小流道，增加流速

在较大的流速条件下，效果明显；在较小流速下，效果极差，水流仍可以倒流，尤其是对于常用的有“鹰嘴”的玻璃容器。而且由于流速的增加，控制流量的难度加大。相反，对于采用较小的流道，如尖状的喷口，可以以液滴形式控制流量，但流速受到限制，无法运用于大量的实际需要之中。

3.综合利用两种方法

兼具两种方法的缺点。另外，设计结构复杂，装配困难，工作效率低。

发明内容

本发明的目的是要彻底解决聚合物固体边缘的水溶液倒流问题，从而提供一种简单高效，成本低，操作易行，无环境污染的解决水溶液在固体边缘倒流的方法。

本发明主要通过表面改性，利用了本发明人在先前申请的专利技术(申请号：200410004721.6)，对片材、管材和棒材聚合物固体材料边缘进行表面技术处理，制备具有超疏水性表面的聚合物材料边缘。

本发明解决水溶液在聚合物固体边缘倒流的方法：在室温下，以4～20KPa的压强，用不同型号的砂纸(GB/T 15305)在聚合物材料表面来回打磨50次以上。将水滴到打磨后的聚合物表面进行接触角测定，从中选出使聚合物材料表面与水的静态接触角接近或超过150°的砂纸型号范围。采用该型号范围的砂纸对聚合物材料的边缘表面和下表面进行相同次数的打磨，改变聚合物材料的边缘表面和下表面的浸润性，使其表面与水的静态接触角接近或超过150°，达到超疏水效果，防止水溶液的倒流。

所述砂纸型号在60～2000号。

所述的聚合物材料的形状包括：片材、管材和棒材。

所述的聚合物片材的厚度在1～10mm，管材和棒材的直径在8～50mm。

所述的聚合物材料为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等。

用上述型号的砂纸对片材、管材或棒材的聚合物材料边缘进行打磨，尤其是材料的边缘表面和下表面进行相同次数的打磨，以达到相同的疏水效果。

将酸、碱、盐溶液和纯水装入一次性注射器中，在自动注射器推动器的控制下，在一定流速以液滴或流动状态，流到不同形状的聚合物材料的边缘表面上，用高速照相机(德国vosskūhler Gmbh，HCC1000F，最快可达1800fps)拍摄水溶液的倒流现象。注射所用的针头4～16号针头。

所述的酸是硫酸或盐酸等；所用碱是氢氧化钠、氢氧化钾或氨水等；其调节pH范围在1～13。

所述的盐溶液选自氯化钠、氯化钾、硫酸钠或硫酸钾等，加水调节其浓度到饱和为止。

本发明的解决水溶液在聚合物固体边缘倒流的方法的优点在于：

1.本发明设备简单(手工打磨亦可取得良好的效果)，成本低，对聚合物材料的生产工艺无特殊要求，可以根本性的解决聚合物材料边缘的水溶液倒流问题。

2.本发明适应性强，可以在不同条件的水溶液下进行使用(包括酸碱盐)。

3.在一定流速下，可以改变水溶液在聚合物材料固体边缘的流动形式(与亲水的固体边缘相比)，使水溶液以滴状下流，较好控制流量。

4.本方法适用范围广，采用廉价的通用塑料即可达到较好的效果。

下面结合实施例及附图详述本发明。

附图说明

图1.本发明实施例1经不同砂纸打磨后的聚合物材料表面与水的接触角之间的关系曲线。

图2A.本发明实施例1打磨前的聚合物表面与水的接触角照片。

图2B.本发明实施例1经过挑选砂纸型号打磨后的聚合物材料表面与水的接触角照片。

图3.本发明实施例1水滴经过不同时刻流过聚合物片材边缘表面的高速照相机拍摄的照片。

图4.本发明实施例1水滴经过不同时刻流过直径为20.76mm的聚合物管材和棒材边缘表面的高速照相机拍摄的照片。

图5.本发明实施例1水流经过不同时刻流过片材聚合物边缘表面的高速照相机拍摄的照片。

具体实施方式

实施例1

1.所用的砂纸型号为60～2000号时，在室温下，压强为4～10KPa时在聚四氟乙烯基片表面来回打磨50次以上。水滴在该打磨聚四氟乙烯表面的静态接触角与砂纸型号的关系如附图1所示。

2.选择400～1000号范围为最佳的打磨砂纸型号，对厚度为2.96mm、5mm和10mm聚四氟乙烯片材和管径为7.8mm、10.26mm、20.76mm、25.90mm、40.13mm管材，以及直径为15.06mm、19.93mm的棒材边缘表面及下表面进行打磨，打磨次数均为50次以上。

3.对打磨后的聚四氟乙烯的基片、棒材和管材分别用丙酮和氢氧化钠/乙醇进行浸泡，再用去离子水冲洗，烘干。

4.用二次去离子水充满一次性注射器(20ml容量)，排气泡后，装在自动注射器推进器(北京思路高高科技发展有限公司产，CPS2000)上，通过输液管控制针头处水的滴落及水流的流速。选用针头号为4号、8号和16号，推进器的流速调控范围在0～300ml/h。

5.设定自动注射器推进器的注射器容量及流速。设定连有PC机的高速照相机的参数，包括每秒钟拍摄的帧数，拍摄时间，拍摄模式等。固定针头与聚四氟乙烯的位置，控制针头与打磨后的聚四氟乙烯边缘的距离在水滴直径的范围内。开始启动注射器推进器，同时启动高速照相机的拍摄功能。

6.观察现象结束，停止高速摄像机和注射器推动器。

7.将第3步中的液体分别换为氯化钠、氯化钾和硫酸钠的饱和水溶液，重复3～5步骤。

8.将第3步中的液体分别换为pH值为1、2、3、4、5、6的盐酸和pH值为8、9、10、11、12、13的氢氧化钠溶液，重复3～5步骤。

打磨前的聚四氟乙烯表面与水的接触角照片如图2A所示。经过砂纸打磨后的聚四氟乙烯表面与水的接触角照片如图2B所示。不同时刻水滴流过聚四氟乙烯片材边缘表面的高速照相机拍摄的照片如附图3所示。不同时刻水滴流过不同直径的聚四氟乙烯管材和棒材边缘表面的高速照相机拍摄的照片如附图4所示。水流经过不同时刻流过各种形状的聚四氟乙烯边缘表面的高速照相机拍摄的照片如附图5所示。

打磨前的聚四氟乙烯的静态接触角为120.8°，用砂纸打磨后的聚四氟乙烯的静态接触角为151.2°。在测试的三种位置下，水滴均从聚四氟乙烯的片材、管材和棒材边缘呈滴状滚落，边缘表面没有任何痕迹，水滴未发生倒流。在测试的三种位置下，一定流速的水流均从聚四氟乙烯的片材、管材和棒材边缘流下，未发生倒流，水流停止后，聚合物材料边缘表面没有任何水痕。

在酸碱盐的水溶液条件下，聚四氟乙烯的片材、管材和棒材，均呈现了和上述相同，与水接触时一样的现象。

实施例2

1.所用的砂纸型号为60～2000号时，在室温下，压强为5～9KPa时在高密度聚乙烯基片表面来回打磨50次以上。

2.选择150～1000号的范围为最佳的打磨砂纸型号，对厚度为1.05mm、2.14mm和3.22mm高密度聚乙烯片材和管径为5.86mm、10.26mm和20.12mm管材，以及直径为10.00mm，20.08mm的棒材边缘表面及下表面进行打磨，打磨次数均为50次以上。

3.对打磨后的高密度聚乙烯的基片、棒材和管材用氢氧化钠/乙醇浸泡后，再用去离子水冲洗，烘干。

4.用二次去离子水充满一次性注射器(20ml容量)，排气泡后，装在自动注射器推进器(北京思路高高科技发展有限公司产，CPS2000)上，通过输液管控制针头处水的滴落及水流的流速。选用针头号为4号、7号和16号，推进器的流速调控范围在0～300ml/h。

5.设定自动注射器推进器的注射器容量及流速。设定连有PC机的高速照相机的参数，包括每秒钟拍摄的帧数，拍摄时间，拍摄模式等。固定针头与打磨后的高密度聚乙烯的位置，控制针头与高密度聚乙烯边缘的距离在水滴直径的范围内。开始启动注射器推进器，同时启动高速照相机的拍摄功能。

6.观察现象结束，停止高速摄像机和注射器推动器。

7.将第3步中的液体分别换为氯化钠、氯化钾和硫酸钾的饱和水溶液，重复3～5步骤。

8.将第3步中的液体分别换为pH值为1、2、3、4、5、6的硫酸和pH值为8、9、10、11、12、13的氢氧化钾溶液，重复3～5步骤。

打磨前的高密度聚乙烯的静态接触角为92.7°，用砂纸打磨后的高密度聚乙烯的静态接触角为135.6°。在测试的三种位置下，水滴均从高密度聚乙烯的片材、管材和棒材边缘呈滴状滚落，边缘表面没有任何痕迹，水滴未发生倒流。在测试的三种位置下，一定流速的水流均从高密度聚乙烯的片材、管材和棒材边缘流下，未发生倒流，水流停止后，聚合物材料边缘表面没有任何水痕。

在酸碱盐的水溶液条件下，高密度聚乙烯的片材、管材和棒材，均呈现了和上述相同，与水接触时一样的现象。

实施例3

1.所用的砂纸型号为60～2000号时，在室温下，压强为7～10KPa时在低密度聚乙烯基片表面来回打磨50次以上。

2.选择150～1000号的范围为最佳的打磨砂纸型号，对厚度为3.56mm和8.03mm低密度聚乙烯片材和管径为10.20mm和35.98mm管材，以及直径为20.35mm棒材的边缘表面及下表面进行打磨，打磨次数均为50次以上。

3.对打磨后的低密度聚乙烯的基片、棒材和管材分别用氢氧化钠/乙醇浸泡后，再用去离子水冲洗，烘干。

5.设定自动注射器推进器的注射器容量及流速。设定连有PC机的高速照相机的参数，包括每秒钟拍摄的帧数，拍摄时间，拍摄模式等。固定针头与低密度聚乙烯的位置，控制针头与打磨后的低密度聚乙烯边缘的距离在水滴直径的范围内。开始启动注射器推进器，同时启动高速照相机的拍摄功能。

6.观察现象结束，停止高速摄像机和注射器推动器。

7.将第3步中的液体分别换为氯化钠、氯化钾、硫酸钾和硫酸钠的饱和水溶液，重复3～5步骤。

8.将第3步中的液体分别换为pH值为1、2、3、4、5、6的硫酸和pH值为8、9、10、11、12、13的氢氧化钠溶液，重复3～5步骤。

打磨前的低密度聚乙烯的静态接触角为108.3°，用砂纸打磨后的低密度聚乙烯的静态接触角为142.2°。在测试的三种位置下，水滴均从低密度聚乙烯的片材、管材和棒材边缘呈滴状滚落，边缘表面没有任何痕迹，水滴未发生倒流。在测试的三种位置下，一定流速的水流均从低密度聚乙烯的片材、管材和棒材边缘流下，未发生倒流，水流停止后，聚合物材料边缘表面没有任何水痕。

在酸碱盐的水溶液条件下，低密度聚乙烯的片材、管材和棒材，均呈现了和上述相同，与水接触时一样的现象。

实施例4

1.所用的砂纸型号为60～2000号时，在室温下，压强为7～11KPa时在聚丙烯基片表面来回打磨50次以上。

2.选择60～800号的范围为最佳的打磨砂纸型号，对厚度为1.24mm、3.52mm和5.07mm聚丙烯片材和管径为15.26mm、19.86mm和40.2mm管材，以及10.32mm、17.68mm的棒材边缘表面及下表面进行打磨，打磨次数均为50次以上。

3.对打磨后的聚丙烯的基片、棒材和管材分别用氢氧化钠/乙醇进行浸泡后，再用去离子水冲洗，烘干。

5.设定自动注射器推进器的注射器容量及流速。设定连有PC机的高速照相机的参数，包括每秒钟拍摄的帧数，拍摄时间，拍摄模式等。固定针头与打磨后的聚丙烯的位置，控制针头与聚丙烯边缘的距离在水滴直径的范围内。开始启动注射器推进器，同时启动高速照相机的拍摄功能。

6.观察现象结束，停止高速摄像机和注射器推动器。

8.将第3步中的液体分别换为pH值为1、2、3、4、5、6的盐酸和pH值为8、9、10、11、12、13的氨水溶液，重复3～5步骤。

打磨前的聚丙烯的静态接触角为100.2°，用砂纸打磨后的聚丙烯的静态接触角为145.3°。在测试的三种位置下，水滴均从聚丙烯的片材、管材和棒材边缘呈滴状滚落，边缘表面没有任何痕迹，水滴未发生倒流。在测试的三种位置下，一定流速的水流均从聚丙烯的片材、管材和棒材边缘流下，未发生倒流，水流停止后，聚合物材料边缘表面没有任何水痕。

在酸碱盐的水溶液条件下，聚丙烯的片材、管材和棒材，均呈现了和上述相同，与水接触时一样的现象。

实施例5

1.所用的砂纸型号为60～2000号时，在室温下，压强为5～15KPa时在聚氯乙烯基片表面来回打磨50次以上。

2.选择60～1000号的范围为最佳的打磨砂纸型号，对厚度为2.50mm、5.62mm和10.04mm聚氯乙烯片材和管径为39.2mm管材，以及19.56mm、25.66mm棒材的边缘表面及下表面进行打磨，打磨次数为50次以上。

3.对打磨后的聚氯乙烯的基片、棒材和管材分别用氢氧化钠/乙醇进行浸泡后，用去离子水再进行冲洗后，烘干。

4.用二次去离子水充满一次性注射器(20ml容量)，排气泡后，装在自动注射器推进器(北京思路高高科技发展有限公司产，CPS2000)上，通过输液管控制针头处水的滴落及水流的流速。选用针头号为4号、8号和14号，推进器的流速调控范围在0～300ml/h。

5.设定自动注射器推进器的注射器容量及流速。设定连有PC机的高速照相机的参数，包括每秒钟拍摄的帧数，拍摄时间，拍摄模式等。固定针头与打磨后的聚氯乙烯的位置，控制针头与聚氯乙烯边缘的距离在水滴直径的范围内。开始启动注射器推进器，同时启动高速照相机的拍摄功能。

6.观察现象结束，停止高速摄像机和注射器推动器。

7.将第3步中的液体分别换为氯化钠和氯化钾的饱和水溶液，重复3～5步骤。

打磨前的聚氯乙烯的静态接触角为85.4°，用砂纸打磨后的聚氯乙烯的静态接触角为146.3°。在测试的三种位置下，水滴均从聚氯乙烯的片材、管材和棒材边缘呈滴状滚落，边缘表面没有任何痕迹，水滴未发生倒流。在测试的三种位置下，一定流速的水流均从聚氯乙烯的片材、管材和棒材边缘流下，未发生倒流，水流停止后，聚合物材料边缘表面没有任何水痕。

在酸碱盐的水溶液条件下，聚氯乙烯的片材、管材和棒材，均呈现了和上述相同，与水接触时一样的现象。

实施例6

1.所用的砂纸型号为60～2000号时，在室温下，压强为8～20KPa时在聚苯乙烯基片表面来回打磨50次以上。

2.选择60～600号的范围为最佳的打磨砂纸型号，对厚度为3.50mm、8.77mm和15.94mm聚苯乙烯片材的边缘及下表面进行打磨，打磨次数均为50次以上。

3.对打磨后的聚苯乙烯的基片用氢氧化钠/乙醇浸泡后，再用去离子水冲洗，烘干。

5.设定自动注射器推进器的注射器容量及流速。设定连有PC机的高速照相机的参数，包括每秒钟拍摄的帧数，拍摄时间，拍摄模式等。固定针头与打磨后的聚苯乙烯的位置，控制针头与聚苯乙烯边缘的距离在水滴直径的范围内。开始启动注射器推进器，同时启动高速照相机的拍摄功能。

6.观察现象结束，停止高速摄像机和注射器推动器。

打磨前的聚苯乙烯的静态接触角为88.8°，用砂纸打磨后的聚苯乙烯的静态接触角为139.4°。在测试的三种位置下，水滴均从聚苯乙烯的片材边缘呈滴状滚落，边缘表面没有任何痕迹，水滴未发生倒流。在测试的三种位置下，一定流速的水流均从聚苯乙烯的片材边缘流下，未发生倒流，水流停止后，聚合物材料边缘表面没有任何水痕。

在酸碱盐的水溶液条件下，聚苯乙烯的片材均呈现了和上述相同，与水接触时一样的现象。

Claims

1.一种解决水溶液在聚合物固体边缘倒流的方法，其特征是：

在室温下，以4～20KPa的压强，用砂纸对聚合物材料的边缘表面和下表面进行相同次数的打磨，使其表面与水的静态接触角为135.6°、139.4°、142.2°、145.3°146.3°或超过150°，达到超疏水效果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的对聚合物材料的边缘表面和下表面用砂纸打磨时，同时进一步对聚合物材料其它表面打磨，使聚合物材料其它表面与水的静态接触角为135.6°、139.4°、142.2°、145.3°146.3°或超过150°。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述的砂纸打磨次数为50次以上。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述的砂纸型号在60～2000号。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述的砂纸型号在60～2000号。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述的聚合物材料选自聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚苯乙烯。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述的聚合物材料的形状选自片材、管材或棒材。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是：所述的聚合物材料的形状选自片材、管材或棒材。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征是：所述的聚合物片材的厚度在1～10mm，管材或棒材的直径在8～50mm。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征是：所述的聚合物片材的厚度在1～10mm，管材或棒材的直径在8～50mm。