增材制造聚丙烯和316L不锈钢的表面功能化：对润湿性和氧成核的影响

《ACS Applied Engineering Materials》：Surface Functionalization of Additively Manufactured Polypropylene and Stainless Steel 316L: Impact on Wettability and Oxygen Nucleation

本研究通过等离子体增强化学气相沉积对3D打印的聚丙烯（PP）和316L不锈钢（SS 316L）进行表面改性，系统考察了表面亲疏水性调控对O?气泡成核行为的影响。实验发现PFAC-6涂层使PP和SS 316L的气泡覆盖率分别提升500%和350%，而HMDSO涂层则将气泡密度降低至30%。通过XPS分析揭示了PFAC-6涂层在水中发生氟化物脱去，而HMDSO涂层表面极性基团重排的长期稳定性机制，为电解槽多相流控制提供了新策略。

　　在当前能源转型的背景下，水电解技术作为一种将可再生能源转化为氢气（H?）的重要手段，正受到越来越多的关注。水电解过程中，气泡的形成和行为对系统效率有着显著影响，尤其是在氧气（O?）作为副产物生成时。气泡的生成不仅影响热和质量传递效率，还可能阻碍催化剂活性位点，导致额外的过电位，从而增加系统的能耗。因此，对气泡形成过程的控制成为提升电解效率的关键因素之一。随着工业对电解设备性能要求的提高，研究者们开始探索通过表面改性技术来优化材料的表面特性，以更有效地管理气泡行为。

本研究聚焦于通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术对增材制造（AM）材料表面进行功能化处理，从而调节其表面润湿性，进而影响气泡的形成与增长。选择的材料包括聚丙烯（PP）和不锈钢316L（SS 316L），这两种材料在电解系统中广泛应用，如管道、内部结构、热交换器、双极板、电流收集器和催化剂支撑等。通过使用PFAC-6和HMDSO两种不同的单体进行表面改性，研究者们成功制备了具有不同润湿性的表面，其最终的水接触角（WCA）范围在40°至145°之间。这一过程不仅提高了材料的表面性能，还为工业应用提供了新的思路。

在实验中，研究人员通过数字显微镜、水接触角测量和X射线光电子能谱（XPS）等手段对表面形貌和性质进行了全面评估。同时，为了研究气泡行为的变化，他们将样品分别存储于空气中和水中，并在长达150天的时间内监测其润湿性和稳定性。研究发现，PFAC-6涂层在空气中表现出良好的稳定性，而在水中则发生一定程度的脱氟现象，导致其润湿性逐渐增强。相比之下，HMDSO涂层在空气中的稳定性更高，表现出逐渐向疏水性转变的趋势，而其化学组成基本保持不变，这表明其老化机制主要与极性表面基团的重新取向有关。

在气泡形成和增长的研究中，采用了机器学习技术对图像数据进行分析。实验结果表明，PFAC-6涂层显著提升了气泡的生成，使得PP和SS 316L材料上的气泡覆盖面积分别增加了500%和350%。而HMDSO涂层则表现出相反的效果，其气泡生成被有效抑制，覆盖面积降至30%左右。这一发现凸显了表面化学性质对气泡行为的重要影响，为设计更高效的电解设备提供了理论支持和实验依据。

研究还指出，材料的表面粗糙度和化学组成在气泡形成过程中扮演着关键角色。PP和SS 316L的增材制造表面具有不同的形貌特征，PP表面相对光滑，而SS 316L表面则呈现出高度不规则的结构。这种结构差异导致了两种材料在气泡生成行为上的不同表现。例如，在水存储条件下，SS 316L材料的表面由于其复杂的结构，可能更容易形成气泡。然而，当表面经过功能化处理后，尤其是PFAC-6涂层，其疏水性增强了气泡的形成能力，而HMDSO涂层则表现出更强的亲水性，从而抑制了气泡的生成。

研究还强调了表面改性在工业应用中的潜力。对于PP和SS 316L这两种在电解系统中常见的材料，通过调整其表面润湿性，可以显著优化气泡行为。例如，在电解系统中，如果气泡的形成会降低导电性或热传导效率，那么亲水性处理可能更有优势。相反，如果需要促进气泡的快速生成以便于后续的气液分离过程，疏水性处理则可能更合适。这种表面功能化的策略为设计更高效的电解设备提供了新的可能性，尤其是在处理气泡生成和分离的环节。

此外，研究还揭示了表面老化机制对气泡行为的影响。PFAC-6涂层在水中的脱氟过程会导致其润湿性逐渐增强，从而降低气泡的生成效率。而HMDSO涂层的老化则主要体现在极性表面基团的重新取向，这并不会改变其化学组成，但会影响其与气体的相互作用。这些发现不仅加深了对表面化学与气泡行为之间关系的理解，也为工业应用中材料选择和表面处理提供了参考依据。

本研究的结果表明，通过调整表面润湿性，可以显著影响电解过程中气泡的生成和分布。这种表面改性技术不仅适用于PP和SS 316L材料，还可能拓展到其他类型的材料。未来的研究可以进一步探索不同表面改性方法对气泡行为的影响，以及如何结合增材制造技术设计具有特定功能的表面结构，以实现更高效的电解过程。同时，利用机器学习等先进分析手段，可以更精确地理解复杂气泡行为，并为优化材料表面特性提供科学依据。

综上所述，本研究通过实验和理论分析，揭示了表面润湿性和化学改性对气泡行为的深远影响。这一成果不仅为水电解技术的优化提供了新的思路，也为其他涉及固-气相互作用的工业应用带来了启示。通过进一步研究和应用，这些表面改性策略有望在提升能源转换效率和降低系统能耗方面发挥重要作用。