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超疏水表面结冰、结霜、抗灰研究成果!

2020年06月04日 点击:

   

   仿生超疏水表面在过去20余年被广泛研究,先后报道的应用领域包括雨水自清洁、冷凝弹跳自清洁、疏冰抑霜、流体减阻、抗雾、透明减反、以及油水分离等,在制冷家电领域也被应用。

    在制冷领域,超疏水表面除了除霜,还在抗灰方面有成效。


1、超疏水表面结冰结霜的研究

        随着对超疏水材料的深入研究发现,虽然超疏水材料拥有很多优势,但其优势的表现会受到很多因素的影响。为了更好地利用超疏水材料,人们有必要对其影响因素进行深入研究,并探索克服这些不利因素影响的方法。经过大量科学家的实验总结,影响因素主要有表面结构、材料、环境条件(包括环境温度、湿度)以及空气流速度、空气流速方向翅片的长度、表面接触角。


1 .1 自身因素

1.1.1表面接触角


        表面接触角是衡量湿润程度的量度,也是表面疏水性能优劣的一个评判标准,一般直接用接触角的大小来评价疏水材料的好坏。Huang等通过试验证明接触角对水滴的结霜时问有很大的影响;接触角越大,结霜时间越长。Rbson等实验研究发现接触角越大,表面的初始成霜面积就越小,随着接触角的增大,需要更低的表面温度才能产生霜晶体;当接触角大于140°后,霜晶体将不再受接触角的影响。因此应尽量提高表面的接触角来促进其疏水性能。


1.1.2表面结构


        超疏水表面的微结构是影响其疏水性能的主要因素。针对不同的表面微结构,超疏水性能有较大区别。张友法等通过实验发现,微纳复合结构表面的抗结冰结霜性能明显优于单一尺寸表面,如单一微米结构,单一纳米结构或平表面。并且提出表面与水滴的不同接触形态导致热交换效果的差异,从而使得条纹阵列的冰霜传质速率快,易出现结露、结冰、结霜。而四棱锥结构表面较低的固液接触角,使得其抗冰抗霜性能更加理想。


1.1.3表面材料


        表面材料的优劣主要体现在该材料的自由能高低上,需要低表面能的材料,接触角大小的不同是液滴介质与接触面表面特性共同作用的结果。液滴与接触面自由能差越大则接触角越大。两相物体相接触时,表面自由能高的一相在表面张力的作用下有使其表面自由能接近低能一相或者有与表面自由能低的一相趋于一致的趋势。采用自由能低的表面可以有效提高其疏水性能。


1.2 外界因素(冷表面温度、空气湿度) 


        冷表面温度和环境的湿度是影响超疏水材料疏水性能的关键因素。大量科学家都对它们对超疏水材料疏水性能的影响进行了深人研究。张富荣等通过控制空气温度、相对湿度、风速等因素.研究冷表面温度对结霜过程的结霜速率、除霜频率、霜层高度、结霜量、霜层密度的影响。结果表明,随着冷表面的温度下降,结霜速率逐渐上升.除霜频率也随之增加,霜层高度不断上升.而单位时间内结霜量不断降低,所以霜层密度有所下降。 PamelaVeale等研究发现温度和湿度都是影响结霜的主要因素,相对温度、湿度影响效果更明显。在高湿度环境下会大大增加结霜量。严重降低机组的制热系数。


LongYin等研究了疏水表面在常温下针对不同冷表面温度、不同环境湿度对接触角和滑动角的影响,设计了冷表面温度从-10 30,环境湿度分别为10%、 30%、  60%、  90%,发现随着冷表面温度的升高,接触角逐渐增大而滑动角逐渐变小;随着相对湿度的增大,接触角逐渐变小,滚动角逐渐变大。因此,提高蒸发温度、降低环境湿度可有效提升表面的疏水性能。由上可知,在进行空调蒸发器除霜时,依靠升高其蒸发温度以及通过相关手段降低穿过蒸发器空气的相对湿度,可以有效提高空调翅片的抗霜性能,延缓结冰结霜的时间,对能源的节约率以及房间舒适度都有一定程度的改善。


1.3 某研究成果介绍:



   贵州电网有限责任公司电力科学研究院、输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)的研究人员张迅、曾华荣、田承越、马晓红、熊青,在2019年第24期《电工技术学报》上撰文指出,利用大气压下等离子体放电在玻璃基底上沉积超疏水薄膜,放电采用自设计介质阻挡放电结构实现大面积沉积,同时采用氩气作为工作气体,六甲基二硅氮烷(HMDSN)作为前驱单体,在13.56MHz射频电源的驱动下成功制备出超疏水表面,静态接触角高达171.4°,滚动角小于2°。


    发射光谱(OES)下发现单体在放电间隙中裂解,产生大量疏水性基团。同时空气中的氮气和氧气也参与了反应,但不影响其疏水性。原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)测试表明超疏水表面有着均匀的微纳米级粗糙结构,表面的平均粗糙度达到200nm左右。


    在自制半导体制冷腔中进行了一系列低温试验,结果表明超疏水表面有着良好的延缓结冰和抑制结霜的能力。




   利用大气压下介质阻挡放电制备超疏水表面,并测试其在低温低湿度环境下的防冰和抑霜能力。


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图1  大气压等离子体制备超疏水薄膜装置图


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图2  放电实物图


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图3  半导体制冷装置



最终发现:


1)设计了大气压等离子体气相沉积装置,采用介质阻挡放电结构,能够低成本方便快捷地制备超疏水薄膜;在玻璃基底上成功制备出了超疏水表面,单体流量为20sccm时,静态接触角达到171.4°,滚动角低于2°;在功率不变的情况下,加大单体含量会导致表面结构不均匀,成膜质量变差,以致滚动角增大直至失去超疏水性。


2)在-2℃的低温环境中,与未处理的裸玻璃板相比,制备的超疏水玻璃表面能够显著延长静态冷却水滴的冷冻过程,结冰时间延长至3倍以上;当平台具有倾斜度时,水滴滚走从而不会在样品表面出现大面积覆冰;同时低温下结霜试验表明,制备的超疏水薄膜由于μm~nm级的表面粗糙结构,低温条件下展现了良好的抑制结霜性能。



2、超疏水表面抗灰的研究


    浙江工业大学冯杰教授课题组就发现,超疏水表面还可以明显抗干灰尘沉积(ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(46), 40219-40227)。


    这一结论其实是课题组在研发彩色、酷冷反红外表面的过程中意外发现并论证得到的。近年来,建筑节能广受重视,炎炎夏日,建筑物的楼顶和外墙均受到烈日中红外线的辐射,大幅提升了空调能耗。酷冷反红外颜料可以缓解这一难题,但由它制造的酷冷涂层或薄膜表面,很容易粘附灰尘。后者会使酷冷表面对红外线的反射率很快下降。


    课题组原本指望超疏水表面靠雨水自清洁抵抗灰尘粘附,进而确保酷冷表面反红外性能稳定。但在户外一个月试验后,却发现即使不下雨,无冷凝水,超疏水表面也性能稳定,而对照表面(反红外但不超疏水),反红外率明显下降(下降30%)(图1)。扫描电镜发现,超疏水表面鲜有灰尘沉积,而对照表面落满灰尘(图2)。


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Figure 1 UV-visible-infrared reflectance of the LDPE film containing 5.0 wt% black “cool cold” pigments after being placed outdoors for 30 days without rain. A: superhydrophobic (SH) films; B: general films.


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Figure 2. SEM images of LDPE general film (A/B) and superhydrophobic film (C/D) both containing 5.0 wt% black” cool cold” pigments after been placed outdoors for 30 days without rain. B, D are magnified images of A, C, respectively. 


     模拟灰尘沉积实验进一步证明,超疏水表面户外抗灰尘沉积的机理在于较低的固-固相互作用力使得灰尘可以被微风带走。相比表面疏水的颗粒,超疏水表面更抗表面亲水的颗粒的沉积。由于户外灰尘普遍较亲水,故超疏水表面可望在光伏电站、建筑外墙等需要抗灰尘沉积的领域获得应用,尤其是干旱少雨地区。