冷凝液滴在某些超疏水表面上自迁移现象、机理及应用研究

当前超疏水研究的一个主要问题就是迟迟没为它找到重大现实应用，这跟表面超疏水性能不稳定有关。已有研究表明，很多超疏水表面不耐水蒸汽冷凝，而这严重影响到其在滴状冷凝传热、从空气中收集水以及冻雨环境下（抗结冰）的应用。最新研究发现，个别具有高纵横比纳米结构的超疏水表面在低温高湿环境下仍保持完美的超疏水特性，且冷凝液滴在其上呈快速自迁移现象。本项目拟在铜、铝等基底上通过控制氧化和氟化处理程度，制备具有不同微结构（纳米花、纳米针或纳米孔）、不同超疏程度的超疏水表面，用高速摄像机和环境扫描电镜（ESEM）研究蒸汽冷凝液滴在其上生成、融合、自迁移的规律和机理。研究自迁移现象是否跟表面超疏程度、微结构特点或外加水滴在其上呈稳定Cassie状态有关。探索这类表面在提高滴状冷凝传热、从空气中收集冷凝水以及抗结冰等领域的应用。本项目不仅具有重要科学意义，也具有明显工程应用价值。将使超疏水研究迈上一个新台阶。

很多超疏水表面不耐水蒸汽冷凝，而这严重影响到其在滴状冷凝传热、从空气中收集水以及冻雨环境下（抗结冰）的应用。最新研究发现，个别具有高纵横比纳米结构的超疏水表面在低温高湿环境下仍保持完美的超疏水特性，且冷凝液滴在其上呈快速自迁移现象。本项目在铜、铝等基底上通过控制氧化和氟化处理程度，制备了具有不同微结构（纳米花、纳米针、纳米片）、不同超疏程度的超疏水表面，研究了冷凝水滴在其上快速生成、融合、跳跃自迁移的规律。发现冷凝自迁移现象跟表面超疏程度和微纳米结构特点密切相关。. 从Laplace压力角度分析了冷凝水滴在不同形状纳米结构的SHS上呈现自迁移现象与否的原因：水蒸气在SHS上原位冷凝时，纳米间隙内也形成了较多的极小水滴，当这些极小水滴融合后，因表面张力的原因，会自动往上收缩成球形。这个向上收缩的力，即纳米间隙对水滴形成的Laplace压力。间隙越窄，氟化处理程度越高（表面能越低）的SHS，对极小水滴形成Laplace压力越大，水滴就越容易、越快地从Wenzel状态向Cassie状态转变。只有冷凝水滴转变为Cassie状态，它们之间才会融合自迁移。否则只会原位融合长大。. 研究了能使冷凝水滴在其上快速自迁移的SHS抗结冰结霜情况。发现-10 oC下，相比普通超疏水表面，该类表面能明显抑制、延迟水蒸气原位冷凝形成的结冰结霜。其机理是Cassie状态的冷凝水滴更容易形成过冷水滴。但灰尘等外来污染形成的缺陷会明显加速过冷水滴的率先成核，从而形成链式结冰、凝华结冰、以及跳跃结冰。为推进应用，课题组将含氟硅溶胶和纳米颗粒添加到水性环氧树脂中，制得了超疏水涂层。该涂层不仅与基底结合力强，成本亦低，在-15 oC环境下可抗结冰。. 项目还研究了冷凝自迁移现象在提高滴状冷凝传热、从空气中收集冷凝水等领域的应用，但均未实现预期目标。这可能跟空气热阻不可忽略有关。事实上，就在我们进行一再重复研究的时候，哈佛大学的WANG E N教授已证实：相对同样化学性质的光滑表面，超疏水表面的整体传热效率（热通量）仅提高了56%（Wenzel冷凝时），甚至还降低了71%（Cassie冷凝时）。另外，冷凝自迁移现象不利于冷凝水收集，须设计更好的、能使快速自迁移的冷凝水滴尽快、就近聚集（不然会再次挥发）表面，才能实现冷凝水的高效收集。