超疏水表面結冰、結霜、抗灰研究成果！

WaterOff

2022-08-10 09:05:30

仿生超疏水表面在過去20余年被廣泛研究，先后報道的應用領域包括雨水自清潔、冷凝彈跳自清潔、疏冰抑霜、流體減阻、抗霧、透明減反、以及油水分離等，在制冷家電領域也被應用。

在制冷領域，超疏水表面除了除霜，還在抗灰方面有成效。

1、超疏水表面結冰結霜的研究

隨著對超疏水材料的深入研究發現，雖然超疏水材料擁有很多優勢，但其優勢的表現會受到很多因素的影響。為了更好地利用超疏水材料，人們有必要對其影響因素進行深入研究，并探索克服這些不利因素影響的方法。經過大量科學家的實驗總結，影響因素主要有表面結構、材料、環境條件（包括環境溫度、濕度）以及空氣流速度、空氣流速方向翅片的長度、表面接觸角。

1 .1 自身因素

1.1.1表面接觸角

表面接觸角是衡量濕潤程度的量度，也是表面疏水性能優劣的一個評判標準，一般直接用接觸角的大小來評價疏水材料的好壞。Huang等通過試驗證明接觸角對水滴的結霜時問有很大的影響；接觸角越大，結霜時間越長。Rbson等實驗研究發現接觸角越大，表面的初始成霜面積就越小，隨著接觸角的增大，需要更低的表面溫度才能產生霜晶體；當接觸角大于140°后，霜晶體將不再受接觸角的影響。因此應盡量提高表面的接觸角來促進其疏水性能。

1.1.2表面結構

超疏水表面的微結構是影響其疏水性能的主要因素。針對不同的表面微結構，超疏水性能有較大區別。張友法等通過實驗發現，微納復合結構表面的抗結冰結霜性能明顯優于單一尺寸表面，如單一微米結構，單一納米結構或平表面。并且提出表面與水滴的不同接觸形態導致熱交換效果的差異，從而使得條紋陣列的冰霜傳質速率快，易出現結露、結冰、結霜。而四棱錐結構表面較低的固液接觸角，使得其抗冰抗霜性能更加理想。

1.1.3表面材料

表面材料的優劣主要體現在該材料的自由能高低上，需要低表面能的材料，接觸角大小的不同是液滴介質與接觸面表面特性共同作用的結果。液滴與接觸面自由能差越大則接觸角越大。兩相物體相接觸時，表面自由能高的一相在表面張力的作用下有使其表面自由能接近低能一相或者有與表面自由能低的一相趨于一致的趨勢。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（冷表面溫度、空氣濕度）

冷表面溫度和環境的濕度是影響超疏水材料疏水性能的關鍵因素。大量科學家都對它們對超疏水材料疏水性能的影響進行了深人研究。張富榮等通過控制空氣溫度、相對濕度、風速等因素．研究冷表面溫度對結霜過程的結霜速率、除霜頻率、霜層高度、結霜量、霜層密度的影響。結果表明，隨著冷表面的溫度下降，結霜速率逐漸上升．除霜頻率也隨之增加，霜層高度不斷上升．而單位時間內結霜量不斷降低，所以霜層密度有所下降。 PamelaVeale等研究發現溫度和濕度都是影響結霜的主要因素，相對溫度、濕度影響效果更明顯。在高濕度環境下會大大增加結霜量。嚴重降低機組的制熱系數。

LongYin等研究了疏水表面在常溫下針對不同冷表面溫度、不同環境濕度對接觸角和滑動角的影響，設計了冷表面溫度從-10到 30，環境濕度分別為10％、 30％、 60％、 90％，發現隨著冷表面溫度的升高，接觸角逐漸增大而滑動角逐漸變小；隨著相對濕度的增大，接觸角逐漸變小，滾動角逐漸變大。因此，提高蒸發溫度、降低環境濕度可有效提升表面的疏水性能。由上可知，在進行空調蒸發器除霜時，依靠升高其蒸發溫度以及通過相關手段降低穿過蒸發器空氣的相對濕度，可以有效提高空調翅片的抗霜性能，延緩結冰結霜的時間，對能源的節約率以及房間舒適度都有一定程度的改善。

1.3 某研究成果介紹：

貴州電網有限責任公司電力科學研究院、輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員張迅、曾華榮、田承越、馬曉紅、熊青，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文指出，利用大氣壓下等離子體放電在玻璃基底上沉積超疏水薄膜，放電采用自設計介質阻擋放電結構實現大面積沉積，同時采用氬氣作為工作氣體，六甲基二硅氮烷（HMDSN）作為前驅單體，在13.56MHz射頻電源的驅動下成功制備出超疏水表面，靜態接觸角高達171.4°，滾動角小于2°。

發射光譜（OES）下發現單體在放電間隙中裂解，產生大量疏水性基團。同時空氣中的氮氣和氧氣也參與了反應，但不影響其疏水性。原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）測試表明超疏水表面有著均勻的微納米級粗糙結構，表面的平均粗糙度達到200nm左右。

在自制半導體制冷腔中進行了一系列低溫試驗，結果表明超疏水表面有著良好的延緩結冰和抑制結霜的能力。

利用大氣壓下介質阻擋放電制備超疏水表面，并測試其在低溫低濕度環境下的防冰和抑霜能力。

圖1 大氣壓等離子體制備超疏水薄膜裝置圖

圖2 放電實物圖

圖3 半導體制冷裝置

最終發現：

1）設計了大氣壓等離子體氣相沉積裝置，采用介質阻擋放電結構，能夠低成本方便快捷地制備超疏水薄膜；在玻璃基底上成功制備出了超疏水表面，單體流量為20sccm時，靜態接觸角達到171.4°，滾動角低于2°；在功率不變的情況下，加大單體含量會導致表面結構不均勻，成膜質量變差，以致滾動角增大直至失去超疏水性。

2）在-2℃的低溫環境中，與未處理的裸玻璃板相比，制備的超疏水玻璃表面能夠顯著延長靜態冷卻水滴的冷凍過程，結冰時間延長至3倍以上；當平臺具有傾斜度時，水滴滾走從而不會在樣品表面出現大面積覆冰；同時低溫下結霜試驗表明，制備的超疏水薄膜由于μm～nm級的表面粗糙結構，低溫條件下展現了良好的抑制結霜性能。

2、超疏水表面抗灰的研究

浙江工業大學馮杰教授課題組就發現，超疏水表面還可以明顯抗干灰塵沉積（ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(46), 40219-40227）。

這一結論其實是課題組在研發彩色、酷冷反紅外表面的過程中意外發現并論證得到的。近年來，建筑節能廣受重視，炎炎夏日，建筑物的樓頂和外墻均受到烈日中紅外線的輻射，大幅提升了空調能耗。酷冷反紅外顏料可以緩解這一難題，但由它制造的酷冷涂層或薄膜表面，很容易粘附灰塵。后者會使酷冷表面對紅外線的反射率很快下降。

課題組原本指望超疏水表面靠雨水自清潔抵抗灰塵粘附，進而確保酷冷表面反紅外性能穩定。但在戶外一個月試驗后，卻發現即使不下雨，無冷凝水，超疏水表面也性能穩定，而對照表面（反紅外但不超疏水），反紅外率明顯下降（下降30%）（圖1）。掃描電鏡發現，超疏水表面鮮有灰塵沉積，而對照表面落滿灰塵（圖2）。

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.

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.

模擬灰塵沉積實驗進一步證明，超疏水表面戶外抗灰塵沉積的機理在于較低的固-固相互作用力使得灰塵可以被微風帶走。相比表面疏水的顆粒，超疏水表面更抗表面親水的顆粒的沉積。由于戶外灰塵普遍較親水，故超疏水表面可望在光伏電站、建筑外墻等需要抗灰塵沉積的領域獲得應用，尤其是干旱少雨地區。