一种通过双浸润性表面结构实现抑霜的方法技术

本发明专利技术涉及一种通过双浸润性表面结构实现抑霜的方法，包括：首先将金属基材在碱性溶液中加热反应，得到表面附有纳米金属氧化物结构的疏水改性基材；再将疏水改性基材进行氧等离子体处理，再与液态全氟辛基三氯硅烷一同在真空环境下静置，得到超疏水改性基材；最后基于掩模板法，对超疏水改性基材进行氧等离子体处理，再采用腐蚀性液体处理超疏水改性基材表面，使得超疏水改性基材表面形成间隔分布的亲水凹孔，并得到抑霜结构。与现有技术相比，本发明专利技术抑霜效果强，可以有效减少表面覆霜率，并可以应用于各种冷凝结霜温度场合下：在表面亲水凹孔和疏水区结构生成后，可以在换热过程中的冷凝阶段自发地形成冰滴，不需要任何额外步骤或外力介入。或外力介入。或外力介入。

【技术实现步骤摘要】
一种通过双浸润性表面结构实现抑霜的方法


[0001]本专利技术属于抑霜
，涉及一种通过双浸润性表面结构实现抑霜的方法。

技术介绍

[0002]生活和生产中常常伴有结霜现象，而结霜通常会对生活和生产带来不利的影响，尤其是对于冬季热泵中的换热器来说，结霜会使得制热效率大幅度下降，从而增加系统的能耗。此外，风机叶片等结霜会使得载荷分布不均，容易导致设备损坏。飞机结冰结霜还会影响发动机的运行。因此，抑霜技术在日常生活、工业生产和航空航天领域都具有重要意义。
[0003]传统的抑霜除霜方法都存在着一定的缺点。电加热除霜会使得能耗增加，超声波除霜不彻底，逆循环除霜无法连续供热。另外，外加系统利用固体或溶液对空气进行预除湿使得运行成本增加，复杂的表面结构加工或仅仅制造亲水涂层存在成本高、易失效以及影响换热效率等问题。
[0004]中国专利CN113063242B公开了一种通过贴膜预结冰实现抑霜除霜的方法，以防水薄膜为贴膜材料，在贴膜材料上加工出镂空的微孔或沟槽阵列，将所述贴膜材料贴覆在待除霜部件的表面，低温下在所述微孔或沟槽阵列内形成冰滴，待全部冰滴形成后，揭下所述贴膜材料，所述待除霜部件的表面形成冰滴阵列。与现有的抑霜除霜技术相比，本专利技术主要具有以下优点：第一，加工方法简单易操作，成本低；第二，适用范围广，抑霜能力强，本专利技术适用于以铜、铝或铝合金为基底材料的各种类型的换热器。但是其抑霜效果依赖于表面结冰的先行步骤，而表面预结冰必须严格保证换热温度均在零度以下，冰融化会导致抑霜失效，因而导致该方法适用范围较小。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是提供一种通过双浸润性表面结构实现抑霜的方法，具有加工步骤简单、成本低等优点，能够在不增加额外表面热阻的情况下实现良好的抑霜效果。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种抑霜结构的制备方法，包括：对基底材料清洗后，对材料进行表面超疏水处理。处理完成后，将超疏水表面放入等离子体处理机中，并在表面上方覆盖掩模板，利用掩膜法对其进行等离子体处理。最后，向试件表面喷淋腐蚀性液体，腐蚀性液体会汇聚在亲水区域，即等离子处理过的区域，待试件表面产生凹孔后，用去离子水清洗掉腐蚀性液体，得到表面具有凹孔结构的材料。
[0008]具体包括以下步骤：
[0009]S1：将金属基材在碱性溶液中加热反应，得到表面附有纳米金属氧化物结构的疏水改性基材；
[0010]S2：将疏水改性基材进行氧等离子体处理，再与液态全氟辛基三氯硅烷一同在真空环境下静置，得到超疏水改性基材；
[0011]S3：基于掩模板法，对超疏水改性基材进行氧等离子体处理，再采用腐蚀性液体处理超疏水改性基材表面，使得超疏水改性基材表面形成间隔分布的亲水凹孔，并得到抑霜结构。
[0012]进一步地，步骤S1中，所述的金属基材包括铜、铝或铝合金。
[0013]进一步地，步骤S1中，所述的碱性溶液中含有NaClO2、NaOH或Na3PO4中的至少一种，优选为NaClO2、NaOH、Na3PO4·
12H2O和去离子水以质量比(3～4):(4～6):(8～12):100混合得到的混合溶液。
[0014]进一步地，步骤S1中，所述的加热反应中，反应温度为95～99℃，反应时间为30～35min。
[0015]进一步地，步骤S2中，所述的氧等离子体处理过程中，采用的射频频率在20～50kHz，等离子束功率75～85W，处理时间为10～60min；步骤S3中，所述的氧等离子体处理过程中，采用的射频频率在20～50kHz，等离子束功率75～85W，处理时间为1～10min。
[0016]进一步地，步骤S2中，在真空环境下静置中，压力为5～10kPa，静置时间为40～80min。
[0017]进一步地，步骤S3中，所述的掩模板法为在氧等离子体处理前，将掩模板覆盖于超疏水改性基材上，所述的掩模板上间隔开设有多个孔洞。
[0018]进一步地，步骤S3中，所述的亲水凹孔的孔面积为8
×
10
‑5～80mm2，相邻亲水凹孔的边缘间距为0.01～5mm。
[0019]进一步地，步骤S3中，所述的亲水凹孔为圆形孔洞，直径为0.01～10mm，孔中心距为0.02～15mm。
[0020]进一步地，步骤S3中，所述的腐蚀性液体包括盐酸或双氧水中的一种或两种组合。
[0021]本专利技术在超疏水表面上覆盖掩膜板，利用掩膜法在等离子体表面处理器中构造暂时亲水区域和疏水区域，然后向试件表面喷淋腐蚀性液体，腐蚀性液体会汇聚在亲水区域，形成所需要的凹孔阵列。冷凝结霜过程中，亲水性的凹孔阵列自主收集冷凝液滴并提前冻结，保证疏水区域的干燥。同时，由于冰的饱和蒸汽压较低，随着换热过程中温度的降低，凹孔处汇集的冷凝水会提前凝结成冰并吸收换热表面疏水区附近的水蒸气，阻断了冰桥的形成，进一步保证了疏水区的干燥状态。这使得本应分布在整个换热表面上的霜层集中地分布在构造的凹孔处，从而有效地减少换热表面的覆霜率，提高换热表面的换热效果。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：
[0023]1)本专利技术加工技术简单，无需复杂流程，并且对表面结构的改造不需要运用大型或复杂的设备，成本较低；
[0024]2)本专利技术抑霜效果强，可以有效减少表面覆霜率，并且适用温区范围大：现有的表面预结冰抑霜方法中，为实现表面预结冰，必须严格保证换热温度在零度以下，否则会因冰融化而导致抑霜失效，与之相比，本专利技术可以应用于各种冷凝结霜温度场合下，表面亲水凹孔和疏水区结构生成后，可以在换热过程中的冷凝阶段自发地优先形成冰滴阵列，并借由冰滴阵列达到抑霜效果，不需要表面预结冰或其他任何额外步骤以及外力介入；
[0025]3)本专利技术应用范围广，可以应用于各种尺寸的金属材料上，尤其适用于以铜、铝和铝合金为基材的各种尺寸和类型的换热器翅片上，涉及家用电器、冷冻冷藏、汽车行业以及航空航天，具有良好的应用前景和经济效益。
附图说明
[0026]图1为超疏水表面制造示意图；
[0027]图2为超疏水表面和掩膜板结构示意图；
[0028]图3为双浸润性表面结构加工过程示意图；
[0029]图4为具有抑霜结构的试件的结构形貌特征示意图；
[0030]图5为抑霜效果图；
[0031]图中标记说明：
[0032]1‑
基材、2
‑
支架、3
‑
碱性溶液、4
‑
等离子体表面处理器、5
‑
真空罐、6
‑
液态全氟辛基三氯硅烷、7
‑
真空泵、8
‑
超疏水表面、9
‑
掩膜板、10
‑
稀盐酸、11
‑
亲水区、12
‑
超疏水区域、13
‑
具有抑霜结构的试件、14...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑霜结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将金属基材在碱性溶液中加热反应，得到表面附有纳米金属氧化物结构的疏水改性基材；S2：将疏水改性基材进行氧等离子体处理，再与液态全氟辛基三氯硅烷一同在真空环境下静置，得到超疏水改性基材；S3：基于掩模板法，对超疏水改性基材进行氧等离子体处理，再采用腐蚀性液体处理超疏水改性基材表面，使得超疏水改性基材表面形成间隔分布的亲水凹孔，并得到抑霜结构。2.根据权利要求1所述的一种抑霜结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述的金属基材包括铜、铝或铝合金。3.根据权利要求1所述的一种抑霜结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述的碱性溶液中含有NaClO2、NaOH或Na3PO4中的至少一种，优选为NaClO2、NaOH、Na3PO4·
12H2O和去离子水以质量比(3～4):(4～6):(8～12):100混合得到的混合溶液。4.根据权利要求1所述的一种抑霜结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述的加热反应中，反应温度为95～99℃，反应时间为30～35min。5.根据权利要求1所述的一种抑霜结构的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述的氧等离子体处理过程中，采用的射...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉刚，姜芋鹏，蔡灏亭，苏文献，王东民，高明，郝亮，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：