疏水表面改性在换热器抑霜上的实验研究

对分体式空调室外换热器翅片管表面进行了疏水改性处理并搭建了可视化的结霜测试平台,在干、湿球2℃/1℃环境工况下测试了改性后和常规换热器翅片表面结霜、除霜及融霜过程的性能。实验表明疏水纳米涂层翅片表现出一定的抑霜效果:其液滴冻结时间延后、霜层薄且疏松、除霜周期延长、化霜时间缩短,但抑霜效果会在结霜后期减弱且融霜后翅片上存在残留液滴。而对于未处理的亲水裸铝翅片:其霜层冻结快、霜层较为致密、结霜程度较严重,但融霜后排液效果好。     

疏水性对竖直冷表面上自然对流结霜特性的影响

本文采用控制表面氧化法制备超疏水表面(153. 2°),并对自然对流条件下竖直放置的超疏水表面与裸铜表面进行可视化结霜实验,观察并对比实验初期有液核与无液核生成成霜时疏水性对结霜过程的影响,研究了疏水性对结霜的影响随冷表面温度(-50～-30℃)、空气相对湿度(30%～70%)的变化规律。结果表明,有液核成霜时,超疏水表面具有显著的抑霜效果;无液核成霜时,疏水表面不再具有抑霜效果,反而超疏水表面霜晶生长更为密实;疏水性对无液核成霜过程的影响随空气相对湿度的增大、冷表面温度的降低而减弱;从云物理学与核化理论角度分析了无液核生成时超疏水表面霜晶分布更密的原因,发现实验制备的超疏水表面上凹坑与CuO晶体颗粒为凝华核化提供了有利位置。     

自然对流条件下冷表面结霜的实验研究

本文利用微观可视化观测方法,实验对比研究了裸铝(接触角78°)、疏水（接触角141°）和亲水(接触角26°)三种特性表面结霜过程。结果表明,当相对湿度为26%,表面温度为﹣10 ℃时,相比于裸铝表面,疏水表面可以延迟结霜29 min;当温度降至﹣18 ℃,疏水表面仍具有较好的抑霜效果。1 h后,疏水表面上的霜层高度仅为裸铝表面上霜层高度的68%。当表面温度为﹣26 ℃时,3种不同接触角的表面上初始霜晶的形态差异较大,疏水表面倾向于形成更加稠密的沿水平方向生长的枝状霜晶并向片状转变,而亲水表面则倾向于形成沿竖直方向生长的稀疏的针状霜晶,随着空气中水蒸气向霜晶扩散凝华,针状霜晶从顶部向底部逐渐向片状霜晶转变。     

不同工况下超疏水表面的凝露特性研究

超疏水表面能减少液滴的附着，减少液滴存在带来的热阻增加，提高空调、发电和海水淡化的效率。本文实验研究了不同冷表面温度(2～8℃)、空气湿度(40%～80%)、倾斜角度(0°～90°)下，超疏水表面冷凝液滴的生长特性，分析不同工况对超疏水表面凝露的影响。结果表明：随着冷表面温度的降低，液滴平均半径和表面液滴覆盖率逐渐增大，冷表面温度越低，液滴生长速率越快；在不同湿度工况下，高湿度下超疏水表面液滴生长较快，但随着时间增加，低湿度下液滴生长半径将超过中高湿度，且低中湿度工况下冷表面液滴覆盖率远小于高湿度；随着倾斜角度增大，液滴临界扫掠半径逐渐减小，垂直表面相比水平表面液滴覆盖率减少42%。     

铝基体超疏水表面结冰结霜特性研究

采用中性电解液,通过电化学加工技术及氟化处理方法制备出铝基体超疏水表面,接触角达160°,滚动角小于5°,并在其上进行了结冰和结霜研究.在不同实验条件下研究超疏水表面的形貌、霜高随时间的变化,并与相同条件下的普通铝表面、吸水性表面进行了对比.结果表明,该超疏水表面经过50多次结霜、除霜后,仍具有很好的超疏水性能,表现出良好的重复性和耐久性;与普通铝表面相比,铝基体超疏水表面具有明显的抗结冰结霜性能,霜晶先出现在四周边缘处并逐渐蔓延到中间,但抑霜能力随着冷表面温度的降低而减小;与吸水性表面相比,超疏水表面在抗结冰结霜的同时能有效抑制表面质量的增加.     

超疏水固体表面的制备及其量化表征

超疏水表面是指对水的接触角θ超过150°且滚落角α低于2°的固体表面,用来解释超疏水现象的两种经典理论分别是Wenzel模型和Cassie模型.在表征表面超疏水性时,除常用的θ、α外,接触角滞后△θ、斜面上液滴滞留在材料表面上的最大半径Rc、两种状态转化时的临界压力△p以及液滴落下后能反弹的临界撞击速度Vc也是非常重要的参数.依据表面微细结构和低表面自由能是构成超疏水表面的两个重要条件,阐述了通过在疏水表面构建表面微细结构和用低表面能物质修饰粗糙表面这两种方法制备超疏水表面,并提出了今后研究中应该注意的一些问题.     

超疏水沥青混凝土抗凝冰性能及评价

引入超疏水设计理念,制备了具有超疏水抗凝冰性能的沥青混凝土试件。通过模拟试验和理论分析相结合,开展了超疏水沥青混凝土抗凝冰性能研究,测定了普通试件及超疏水试件抗凝冰性能差异,分析了不同工况下超疏水沥青混凝土试件的抗凝冰性能。通过接触角测定及表面能计算,评价了超疏水沥青混凝土的防冰、疏冰性能。结果表明,超疏水沥青混凝土可有效促进液滴滚落,滚落率高达80%。通过自行设计的落锤冲击试验间接测定了超疏水沥青混凝土试件的"冰-路"附着力,仅为普通沥青混凝土试件的38.5%。基于不同工况,降雪环境下超疏水沥青混凝土试件冰的残留率最低。接触角试验和表面能计算表明,超疏水沥青混凝土的表面能为1.97mJ/m2,仅为普通沥青混凝土的5.1%,体现了良好的抗凝冰性能。     

铜基高梯度润湿表面的构建与表征

通过向垂直放有铜片的烧杯中滴加Ag NO3溶液,在铜片上制备出水接触角从平整铜表面的90.8°升至151.4°的梯度润湿表面;结合前期以碱辅助氧化法制备亲水区间的梯度润湿表面,实现了在无低表面能物质修饰时,构建从超疏水(151.6°)至超亲水(3.7°)的高梯度润湿铜表面。制得的润湿性梯度在近100℃的水浴中浸泡10 h,各点的接触角变化最大不超过10°。采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等对样品表面形貌演变和结构进行分析,表明在铜表面分别沉积具有相对疏水的银粒子和亲水特性的氢氧化铜粒子,并形成合理的粗糙结构,可使铜片分别达到超疏水和超亲水状态,从而形成高梯度润湿铜表面。由于平整的银表面和氢氧化铜表面的水接触角分别为72.8和62°,这也从另一侧面说明亲水与疏水的界限在65°可能更加合理。     

铝基体超疏水表面的抗结冰结霜效果分析

增加接触角是提高表面抗结冰结霜能力的重要方法.借助电化学加工和氟化处理获得铝基体超疏水表面,该表面具有二元微纳米复合结构,干燥时水滴在其上的接触角为160°,滚动角小于5°,处于Cassie-Baxter状态.在自制的半导体制冷台上,观测冷表面温度为-5.2 ℃时,铝基体超疏水表面的结霜过程,并将其与普通铝表面进行了对比,发现铝基体超疏水表面的四周边缘处先出现霜晶并逐渐蔓延到整个表面,与普通铝表面相比具有显著的抗结冰结霜性能.最后对铝基体超疏水表面的边缘效应和抗结冰结霜机理进行了分析.     

不同基底温度下铝基超疏水表面的抗结冰性能实验

本文利用刻蚀方法制备了铝基超疏水表面,在环境温度20℃、相对湿度60%下进行了不同基底温度(-15℃、-20℃、-25℃、-30℃)超疏水表面的静态和动态低温液滴抗结冰性能实验研究。结果表明:超疏水表面在液滴静、动态下均表现出良好抗结冰性能;在静态液滴抗结冰实验中,随着冷表面温度的降低,超疏水表面延缓结冰的时间快速下降,当基底温度为-25℃时,其抗结冰性能发生突变,并随冷表面温度的进一步降低而表现恶化;在动态液滴抗结冰实验中,当冷表面温度为-15℃和-20℃时,低温液滴能快速从低温表面弹离,而当冷表面温度为-25℃和-30℃时,低温液滴不能从超疏水表面弹离,滞留在超疏水表面上,且快速在其上冻结,超疏水表面失去了抗结冰性能。基于相关相变成核理论,分析了其抗结冰的机理。为超疏水表面在冬季空调室外换热器上的应用提供一定参考。     

Self-propelled drop jumping during defrosting and drainage characteristic of frost melt water from inclined superhydrophobic surface

Drainage behavior of frost melt water from bare, hydrophobic and superhydrophobic surface was experimentally investigated. The self-propelled droplet jumping during defrosting on superhydrophobic surface was captured and the self-drainage characteristic on inclined superhydrophobic surface was observed. In addition, the influence of surface inclined angle on drainage time and surface temperature after complete drainage was analyzed. It is found that the occurrence of spontaneous jumping of defrosted droplet was induced by drop coalescence, which can overcome the surface adhesion, leading to frost melt droplets suspending on superhydrophobic surface. Moreover, the frost melt water can be entirely released with no water droplets retention on superhydrophobic surface at larger than 30° inclined angle, which cannot happen on bare and hydrophobic surface. Furthermore, the surface can keep at low temperature after complete defrosting. The results show that the superhydrophobic surface has an excellent self-drainage capability, which provides possibility for improving defrost efficiency.     

Effect of surface treatments on the frosting/defrosting behavior of a fin-tube heat exchanger

The effects of the heat exchanger surface treatment on the frosting/defrosting behavior in a fin-tube heat exchanger are investigated experimentally. It is found that the hydrophilic surface mainly influences the frosting behavior, while the hydrophobic surface has some influence on the defrosting behavior. In view of the frosting, a surface-treated heat exchanger with either hydrophilic or hydrophobic characteristic shows little improvement in the thermal performance rather than the bare aluminum heat exchanger. The results reveal that the heat exchanger with a hydrophobic surface treatment is more effective in view of the defrosting efficiency and time. The amount of residual water on the surface-treated heat exchangers is shown to be smaller than that of the bare heat exchanger. Therefore further improvements on the performance of re-operations are expected.

Résumé

The effects of the heat exchanger surface treatment on the frosting/defrosting behavior in a fin-tube heat exchanger are investigated experimentally. It is found that the hydrophilic surface mainly influences the frosting behavior, while the hydrophobic surface has some influence on the defrosting behavior. In view of the frosting, a surface-treated heat exchanger with either hydrophilic or hydrophobic characteristic shows little improvement in the thermal performance rather than the bare aluminum heat exchanger. The results reveal that the heat exchanger with a hydrophobic surface treatment is more effective in view of the defrosting efficiency and time. The amount of residual water on the surface-treated heat exchangers is shown to be smaller than that of the bare heat exchanger. Therefore further improvements on the performance of re-operations are expected.     

阳极氧化法制备铝基超疏水涂层及其稳定性和耐蚀性的研究

铝由于在潮湿的环境中很容易受到污染和损坏,从而严重影响了其美观性和用途。为了改善铝基材料的耐腐蚀性能,采用电化学阳极氧化法与十四酸修饰相结合的方式在铝基底上制备了超疏水涂层。通过场发射扫描电镜(FESEM)和X射线能量色散光谱(EDS)对涂层表面形貌和化学组成进行了表征。同时利用接触角测量仪、喷砂实验和电化学测试分别对涂层表面的润湿性、机械稳定性以及耐腐蚀性能进行了研究。结果表明:当阳极氧化电压为20V时,所制备的涂层为最佳铝基超疏水涂层,此时涂层的接触角为(155.2±0.5)°,滚动角为(3.5±1.3)°。其对应的腐蚀电流密度较铝基底降低了2个数量级,腐蚀电位从-0.629V正移到-0.570V,呈现出优异的耐腐蚀性能。此外,该涂层还具有良好的机械稳定性。     

氧化还原法制备超疏水表面及其防覆冰性能

使用化学氧化还原法制备出疏水性能优异的超疏水表面,使用接触角测量仪、扫描电镜对表面浸润性及形貌进行表征分析。制得的铝基体超疏水表面接触角高达163.31°,滚动角小于5°。探究不同反应时间对表面形貌和浸润性的影响,使用自制的结冰监测系统对制备出的超疏水表面的静态和动态水滴防覆冰性能进行探究,并结合一维传热理论和经典成核理论对实验结果进行分析。结果表明,反应80min时表面疏水效果最好,超疏水表面静态水滴延缓结冰时间约是普通样品的5倍,结冰温度也低了3.3℃,动态水滴撞击表面时,超疏水表面始终无积水和覆冰,表现出优异的静态和动态防覆冰性能。     

Vi-PDMS/S-SiO2超疏水聚酯纤维织物的制备及性能研究

目的 基于普通织物材料防水性较差的问题,制备一种具有超疏水涂层的聚酯纤维织物,并对其性能进行研究。方法 以聚酯纤维织物为基材,基于紫外光固化技术通过浸涂法,使用商用气相纳米SiO₂颗粒(S-SiO₂)、端乙烯基聚二甲基硅氧烷(Vi-PDMS)在织物表面构筑微纳粗糙结构,获得超疏水的织物。采用扫描电子显微镜、水接触角测量仪对其微观结构和疏水性能进行表征,并通过机械摩擦实验对其超疏水稳定性进行考察。结果 当Vi-PDMS和S-SiO₂质量比为1∶4时,选择交联剂为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)制备的聚酯纤维织物表面的水接触角可达到151°,滚动角可达9°;且经过40次循环摩擦后,其表面水接触角仍大于140°,具有一定的耐磨性。结论 基于紫外光固化技术,采用操作简便的浸涂法制备的聚酯纤维织物具有优异的超疏水性能和一定的耐磨性,为织物超疏水性能研究提供参考,有望应用于超疏水聚酯纤维织物领域。     

碱式硫酸镁晶须复合SiO2纳米粒子制备高/低黏附性超疏水涂层

超疏水材料因性能独特,应用前景广阔而被广泛关注。本文采用碱式硫酸镁晶须(MOSWs)与二氧化硅纳米粒子制备超疏水涂层,首先对MOSWs及50 nm、500 nm SiO₂进行表面改性以降低表面能,然后基于混料实验将三者按比例混合以构造表面粗糙度,以接触角、滚动角及平均粗糙度R_a为响应变量建立回归模型,分析了混合分量的形貌、尺寸与混合比例对响应变量的影响,并探讨了超疏水涂层微观结构对水滴黏附性的影响以及粗糙度与超疏水性能之间的关系。结果表明：MOSWs复合SiO₂纳米粒子可制备具有不同黏附性的超疏水涂层,单独使用MOSWs可制备高黏附性超疏水涂层,其接触角达152.59°,涂层水平倒置水滴不滴落;而MOSWs与50 nm SiO₂以相同质量分数混合,可制备低黏附性超疏水涂层,其接触角达163.25°,滚动角可趋近0°。所制备涂层的平均粗糙度R_a值位于5～10μm之间时,接触角较大,滚动角较小,超疏水性能较佳。     

Preparation and characterization of self-cleaning stable superhydrophobic linear low-density polyethylene

Abstract

Porous superhydrophobic linear low-density polyethylene (LLDPE) surface was prepared by a simple method. Its water contact angle and sliding angle were 153±2° and 10°, respectively. After contamination, 99% of the contaminant particles were removed from the superhydrophobic LLDPE surface using artificial rain. The superhydrophobic LLDPE surface showed high stability in the pH range from 2 to 13. When LLDPE samples were stored in ambient environment for one month, their water contact angle and sliding angle remained constant. Their superhydrophobic property was also maintained after annealing in the temperature range 10–90 °C.     

透明超疏水玻璃表面的制备及性能研究

目的研究透明超疏水玻璃的制备及性能。方法以纳米二氧化硅和无水乙醇为原料制成半透明乳液,然后将乳液喷涂在玻璃表面,再通过接触角测试、透光率测试仪等手段对玻璃表面的性能进行研究。结果在玻璃基材表面构建了与水滴接触角高达158°±2°,滚动角低至1°的透明超疏水表面。当喷涂液中纳米二氧化硅的质量分数为1.5%时,获得的超疏水玻璃表面具有优异的防水性、抗污易清洁性和透明性。结论在玻璃基底上制备透明超疏水表面可以大大提高玻璃表面的防水、防污性,并使玻璃表面更易于清洁,有利于减少玻璃包装材料清洗时的用水量和洗涤剂用量,从而增强玻璃包装材料的生态环保效应。     

One-step electrochemical machining of superhydrophobic surfaces on aluminum substrates

A superhydrophobic surface on an aluminum substrate was fabricated by one-step electrochemical machining using the sodium chloride (NaCl) aqueous solution containing fluoroalkylsilane as the electrolyte. The resulting superhydrophobic surfaces showed a static water contact angle of 166° and a tilting angle of about 1°. The morphological features and chemical compositions were characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), electron probe micro-analyzer (EPMA), and Fourier-transform infrared spectrometer (FTIR). It shows that the binary micrometer–nanometer-scale rough structures and the low surface energy coating were present on the aluminum surfaces. The resulting surfaces have good properties of anti-adhesion and self-cleaning. The durability of the superhydrophobic surfaces on aluminum substrates was also investigated. This preparation method is advantageous as it does not require acid electrolyte or a separate process to lower the surface energy, uses simple steps, and is environmental friendly and highly efficient.     

ZnO/E-51复合涂料上超疏水表面的制备

采用ZnO和环氧树脂机械搅拌制备ZnO/E-51复合涂料,通过真空袋压、室温固化成型,再通过化学刻蚀与表面修饰,在ZnO/E-51复合涂料上制备出超疏水表面。采用扫描电镜和动/静态接触角分析仪,表征表面的形貌和疏水性。结果表明化学刻蚀在复合涂料表面构建了具有微-纳米尺度二元粗糙结构;采用1%(质量分数)的硬脂酸修饰,可改变复合涂料表面微-纳米尺度二元粗糙结构,影响表面的疏水性能,当修饰时间为30min时,其表面与水的平均接触角最高达152.21°。