超疏水表面的滴狀凝結(jié)換熱研究進(jìn)展

林萌雅，高文忠，賈靜，黃興宗

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

超疏水表面在自清潔、防污染等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，因而超疏水表面的相關(guān)研究成為了研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)超疏水表面的制備及其冷凝換熱作了大量的研究[1-5]。超疏水表面的表面特性和潤(rùn)濕性，對(duì)強(qiáng)化滴狀冷凝換熱過(guò)程有著潛在優(yōu)勢(shì)。超疏水表面的滴狀凝結(jié)換熱主要受表面微結(jié)構(gòu)和濕潤(rùn)性影響，而表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)和濕潤(rùn)性能受限于超疏水表面制備技術(shù)。對(duì)于超疏水表面的制備及其滴狀冷凝換熱研究，對(duì)研發(fā)新型強(qiáng)化換熱技術(shù)有著重要的指導(dǎo)意義。

1 超疏水基本理論

固體表面的濕潤(rùn)狀態(tài)通常用水與固體表面的接觸角來(lái)描述。當(dāng)液滴位于固體表面時(shí)，會(huì)與表面形成一定角度，即接觸角[6]。根據(jù)液滴與固體表面的接觸角大小，可將固體表面分為3類。當(dāng)接觸角小于90°時(shí)，該表面為親水表面；當(dāng)接觸角大于90°時(shí)，該表面為疏水表面；當(dāng)接觸角大于150°時(shí)，該表面為超疏水表面[7-8]。

1805年，young用式(1)描述了固、液、氣三相界面上液體對(duì)固體的接觸角與三相間的表面張力的關(guān)系[9]。

cosθ=(γsg-γsl)γlg

(1)

其中，θ為接觸角，γsg為固氣間的表面張力，γsl為固液間的表面張力，γlg為液氣間的表面張力。

1936年，Wenzel發(fā)現(xiàn)表面的粗糙結(jié)構(gòu)會(huì)加強(qiáng)表面的浸潤(rùn)性，并引入表面粗糙因子(r)，即實(shí)際固液接觸面積與幾何投影的固液接觸面積的比值[10]。相應(yīng)的 Wenzel 方程為：

cosθw=r(γsg-γsl)γlg

(2)

其中，θw為表征接觸角。

Cassie和Baxter在Wenzel理論的基礎(chǔ)上，認(rèn)為低表面能的粗糙表面具有超疏水性能，并提出Cassie模型，如式(3)所示[11]。

cosθc=fscosθs+(1-fs)cos180°

(3)

其中，θc為水在粗糙固體表面的接觸角，θs為液滴和固體表面的本征接觸角，fs為液滴在接觸面所占的百分比。

2 超疏水表面的制備方法

通過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn)，具有超疏水性能的表面普遍是由該表面的粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能物質(zhì)所決定[12-14]。因此，超疏水表面可通過(guò)改變表面結(jié)構(gòu)和表面物質(zhì)進(jìn)行制備。目前，常用的制備方法有：沉積法、自組裝法、模板法、溶膠-凝膠法等。

沉積法具有方便、快速等優(yōu)點(diǎn)，且不需要復(fù)雜的制備條件和方法，已廣泛應(yīng)用在超疏水表面的制作上。如Wang等[15]以含十二烷基三甲氧基硅烷(DTMS)的前驅(qū)體溶液為原料，通過(guò)一步電沉積的方法，在低碳鋼(MS)表面制備了無(wú)顆粒和不含氟的超疏水薄膜。自組裝法是指在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下，各組員之間通過(guò)共價(jià)鍵自發(fā)形成聚集體的過(guò)程，且該聚集體在熱力學(xué)上穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)上確定和性能上特殊。Gao等[16]基于自由基聚合反應(yīng)，合成了一系列不同嵌段長(zhǎng)度的聚甲基丙烯酸異雙酯-全氟聚醚-聚甲基丙烯酸異雙酯(PIBOMA-PFPE-PIBOMA)三嵌段共聚物。模板法是指以原有的樣本為模板進(jìn)行印刷，得到跟模板相反的圖案，然后再經(jīng)過(guò)一次印刷得到跟模板一樣的結(jié)構(gòu)的方法。Wang等[17]以6061鋁合金管為模板，用聚二甲基硅氧烷進(jìn)行復(fù)制，進(jìn)一步制備超疏水柔性管。溶膠-凝膠法是屬于無(wú)機(jī)液相合成的一種方法，是通過(guò)利用金屬的化合物，經(jīng)過(guò)一系列的工藝流程而形成的一種微納米結(jié)構(gòu)表面[18]。這些工藝流程分別包括溶解、溶膠、凝膠、干燥和熱處理等。

以上這幾種方法都是比較成熟的超疏水表面制備方法。但這幾種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。自組裝法制備簡(jiǎn)單，厚度可控，但制備時(shí)間較長(zhǎng)。模板法的最大優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)簡(jiǎn)單，但是當(dāng)表面的微觀結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到納米級(jí)，其加工精度難以滿足需求。溶膠-凝膠法雖然操作方便，并可以適應(yīng)各種材料的基底，但是該方法制得的涂層表面機(jī)械強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差。

為了改善上述方法的不足，新型超疏水表面制備方法也在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。如Zhang等[19]利用可控制粒徑的二氧化硅納米粒子和聚甲基氫硅氧烷在纖維素基基質(zhì)上制備了超疏水性二氧化硅或有機(jī)改性硅酸鹽涂層。Lei等[20]提出了一種新穎而有效的方法，該方法是基于大光斑直徑(d=960 μm)的紅外納秒激光高速(線速度v=3 m/s)掃描和燒蝕表面，然后經(jīng)過(guò)低表面能劑化學(xué)處理，從而達(dá)到超疏水狀態(tài)。隨著眾多學(xué)者的進(jìn)一步研究，超疏水表面制備技術(shù)會(huì)越來(lái)越完善。

3 超疏水表面的滴狀凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)研究

冷凝傳熱廣泛存在于制冷、海水淡化、化工和發(fā)電等領(lǐng)域中。依據(jù)液體在固體表面的鋪展性和濕潤(rùn)性，可將冷凝分為兩大類，分別是膜狀冷凝和滴狀冷凝。相較于膜狀冷凝，滴狀冷凝的傳熱效率更高，可達(dá)到相應(yīng)膜狀冷凝傳熱系數(shù)的幾倍甚至幾十倍[21]。因此，研究超疏水表面的滴狀凝結(jié)對(duì)提高換熱效率具有重要的意義。學(xué)者們通過(guò)對(duì)不同超疏水表面進(jìn)行滴狀凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)研究，探究不同表面對(duì)凝結(jié)換熱的影響[22-25]。其中，滴狀凝結(jié)換熱的影響因素主要有表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)和潤(rùn)濕性能。

3.1 表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴狀凝結(jié)換熱的影響

表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)(表面粗糙度、大小、形狀等)對(duì)滴狀凝結(jié)換熱性能有重要影響。因此，對(duì)表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究有利于提高凝結(jié)換熱性能。如Krishnan等[26]通過(guò)改變激光功率來(lái)改變表面凹槽的深度，并與裸銅表面進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)其性能。通過(guò)與裸銅表面的對(duì)比，得出所有改變表面結(jié)構(gòu)的傳熱效果都優(yōu)于未處理過(guò)的表面。其中，最大深度硅烷涂層表面的熱流密度和傳熱系數(shù)相比于未處理的表面分別提高了97%和88%。

Amir等[27]利用二維雙分布函數(shù)熱點(diǎn)陣玻爾茲曼方法，首次研究了不同紋理的疏水和超疏水表面上液滴的成核、生長(zhǎng)、聚并和跳躍的完整循環(huán)。首先，通過(guò)研究液滴在光滑和粗糙表面上的成核機(jī)理，得出蒸汽在完全光滑的表面上的凝結(jié)會(huì)不穩(wěn)定。其次，通過(guò)研究具有不同接觸角的不同紋理的凝結(jié)現(xiàn)象，并提出了正確設(shè)計(jì)紋理表面的方法。Shirsath等[28]通過(guò)激光法和電火花切割法制備表面紋理，這兩個(gè)表面與液滴的最大接觸角分別為135°和145°。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未經(jīng)過(guò)處理的表面，所產(chǎn)生的凝結(jié)是膜狀凝結(jié)。而處理過(guò)的表面，所產(chǎn)生的凝結(jié)為滴狀凝結(jié)。Riccardo等[29]采用3種不同蝕刻方法對(duì)金屬基體進(jìn)行表面處理，得到不同納米級(jí)粗糙度的表面，并與未經(jīng)過(guò)處理表面的凝結(jié)換熱性能進(jìn)行比較。在過(guò)冷度為3.5 K的情況下，粗糙度最高的樣品達(dá)到100 kW/(m2·K)以上，大約為未處理樣品換熱系數(shù)的8倍。

冷凝表面上的微結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響冷凝液的排放，從而阻礙滴狀冷凝換熱性能。Lan等[30]分別在鏡面拋光的銅基材和具有納米結(jié)構(gòu)的銅基材上制備正十八烷基硫醇的自組裝單層涂層，研究不同表面自由能和納米結(jié)構(gòu)對(duì)滴狀凝結(jié)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與鏡面拋光的表面相比，具有納米結(jié)構(gòu)的表面并未改善滴狀冷凝傳熱性能。主要是因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)阻礙了冷凝液的排放，進(jìn)一步增大了壁面熱阻，降低換熱性能。

3.2 表面潤(rùn)濕性對(duì)滴狀凝結(jié)換熱的影響

基于表面濕潤(rùn)性也會(huì)影響滴狀凝結(jié)換熱，學(xué)者也對(duì)表面濕潤(rùn)性對(duì)凝結(jié)換熱的影響做了大量的實(shí)驗(yàn)研究。如Yin等[31]通過(guò)水熱反應(yīng)配合化學(xué)改性，獲得了一種環(huán)保型自愈型Ni3S2超疏水涂層，通過(guò)不同的反應(yīng)體系調(diào)節(jié)其潤(rùn)濕性，分析不同表面濕潤(rùn)性對(duì)換熱的影響。Lee等[32]研究了具有超疏水性的交錯(cuò)潤(rùn)濕性表面對(duì)冷凝傳熱的影響，并對(duì)不同改性帶寬度的表面在水平和垂直表面方向下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，交錯(cuò)潤(rùn)濕性表面的冷凝傳熱受表面形態(tài)、表面取向和壁面過(guò)冷的影響較大。在不同的表面取向下，可以觀察到相反的傳熱趨勢(shì)。在水平面上，窄板間距可以提高水平面的換熱效率。在沒(méi)有冷凝物重力作用下掃掠的情況下，交錯(cuò)表面具有增強(qiáng)傳熱的潛力。

學(xué)者們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，組合濕潤(rùn)性表面可以強(qiáng)化滴狀冷凝換熱。其基本原理是通過(guò)在換熱面上設(shè)計(jì)構(gòu)造不同的濕潤(rùn)性區(qū)域，實(shí)現(xiàn)調(diào)控冷凝面上的液滴行為，從而減小因液滴附在表面造成的壁面熱阻[33]。Alwazzan等[34]在冷凝器管構(gòu)造疏水性區(qū)域(β)和疏水性較弱區(qū)域(α)，兩個(gè)相鄰區(qū)域的存在會(huì)產(chǎn)生濕潤(rùn)性梯度。在β和α區(qū)域的寬度分別為0.6 mm和0.3 mm和過(guò)冷度Δt=4.3 K的情況下，該表面的冷凝換熱系數(shù)分別是完全膜狀冷凝和完全滴狀冷凝的4.8和1.8倍。Ji等[35]分別構(gòu)造了間距為1.5，2.5，3.5 mm的超親水-疏水組合表面。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，過(guò)冷度Δt=6.3 K時(shí)，間距為 2.5 mm 的組合表面的換熱性能最好，分別是其他兩個(gè)表面的2.7和3.4倍。彭本利等[36]通過(guò)制備不同疏水區(qū)寬度的疏水-親水間隔規(guī)則排列的組合表面，研究不同疏水區(qū)、親水區(qū)寬度對(duì)強(qiáng)化冷凝換熱的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，隨疏水區(qū)寬度的增加，冷凝傳熱強(qiáng)化系數(shù)先增加后減小。

雖然組合潤(rùn)濕性表面可以增強(qiáng)凝結(jié)換熱，但表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及蒸汽量的大小會(huì)影響強(qiáng)化效果。如果蒸汽量過(guò)大或表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成冷凝液堆積，甚至整個(gè)換熱面可能會(huì)覆著一層冷凝液，從而增大換熱熱阻，影響傳熱。對(duì)于組合濕潤(rùn)性表面強(qiáng)化換熱，還需要進(jìn)一步研究。

4 總結(jié)與展望

超疏水表面在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并有著巨大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。超疏水表面的應(yīng)用，能充分有效促進(jìn)工業(yè)和農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，甚至推動(dòng)了高新技術(shù)的發(fā)展。其中，超疏水表面的滴狀冷凝換熱是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。本文回顧了近些年制備超疏水表面的技術(shù)及其滴狀冷凝換熱研究進(jìn)展，主要分析了表面微結(jié)構(gòu)和濕潤(rùn)性對(duì)冷凝換熱的影響。

對(duì)于強(qiáng)化傳熱方面，可以通過(guò)在換熱表面構(gòu)造超疏水表面，從而改變表面微結(jié)構(gòu)和濕潤(rùn)性，就有可能達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。雖然超疏水表面的冷凝換熱受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注，但是目前對(duì)于超疏水表面上的滴狀冷凝換熱，還沒(méi)有形成相對(duì)完善的理論體系和成熟的工業(yè)應(yīng)用。造成這一現(xiàn)象的原因是多方面的，但主要原因之一是當(dāng)前對(duì)冷凝基本過(guò)程和機(jī)理的研究不夠充分。因此，超疏水表面的滴狀冷凝過(guò)程及其機(jī)理研究將是未來(lái)的研究重點(diǎn)，該技術(shù)的應(yīng)用也將是該領(lǐng)域未來(lái)的主要目標(biāo)。