大气压等离子体制备超疏水表面及其防冰抑霜研究

WaterOff

2022-08-09 14:10:45

摘要

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。

超疏水表面具有广泛的基础研究和工业应用潜力。一种典型的应用是使用超疏水涂层的自清洁功能来实现防污目的，利用了超疏水表面上水滴滚动角较小，在下雨时灰尘颗粒很容易被带走，主要应用于太阳能、汽车制造（表面和窗玻璃）和建筑领域。同时，超疏水薄膜上液滴接触角大，接触面积小，因此通常也具有抗腐蚀能力，可以避免或明显减少酸性或碱性液体的腐蚀，从而延长设备的使用寿命。

基于其独特的防水性能，超疏水表面的另一个潜在应用是利用它们来减少表面的积雪或积冰，甚至完全防止固体表面上的覆冰。电力行业中每年都有因输电线路的绝缘子在大气环境下的覆冰导致绝缘性能受到影响的报道，导致不可估量的经济损失。

大量研究报道，在超疏水表面可以实现冰粘附的明显减少，有助于冰的脱落。近几十年来，基于Cassie-Baxter和Wenzel理论开发出了先进的疏水性表面，包括化学蚀刻、溶胶-凝胶技术、喷涂和等离子体处理。

在这些方法中，等离子体技术已被证明是一种非常有前景的处理方法，其利用气体放电产生高反应性等离子体物质来改变各种基质的化学组成和形态。大气压等离子体作为用于制备超疏水表面的多种等离子体源之一，由于其不需要低压等离子体昂贵的真空系统，操作方便，处理快速，有利于大规模实际生产而被广泛研究。

目前已经有研究使用不同的低成本等离子设备用于表面改性，这些设备由各种电源驱动，包括kHz交流（AC）电源或脉冲直流源（DC），以及MHz射频（RF）和GHz微波源，多采用介质阻挡放电结构（Dielectric Barrier Discharge, DBD）。

Ma W. 和Yang S. H. 等利用大气压等离子体聚合等方法在样品表面沉积低表面能的CFx和CHx基团或粗糙度高的有机硅聚合物，成功制备出水接触角超过150°，同时具有较低的滚动角的超疏水表面。虽然已有等离子体聚合沉积超疏水薄膜的大量研究，但是将其应用在延缓结冰及其防冰效果方面的实验工作较少。

基于上述问题，本文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。

图1 大气压等离子体制备超疏水薄膜装置图

图2 放电实物图

图3 半导体制冷装置

结论

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。