表面涂層抑制結(jié)霜的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

翟麗華 邵英

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

1 引言

冬季空氣源熱泵機(jī)組換熱器表面結(jié)霜是非常普遍的現(xiàn)象，如換熱器表面結(jié)霜，將會(huì)對(duì)換熱器的工作性能造成較大影響，因此，國(guó)內(nèi)外一些研究者采用了表面處理技術(shù)（親水性涂層或疏水性表面）對(duì)換熱器表面抑制結(jié)霜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

換熱器表面涂層的研究主要集中在制作超親水性表面和超疏水性表面。涂層材料的物性例如附能力、凝固點(diǎn)、揮發(fā)性等是影響降低結(jié)霜速率的重要因素。

關(guān)于親水性涂層的抑制結(jié)霜機(jī)理目前還存在著一些爭(zhēng)議，大多數(shù)認(rèn)為是由于親水性涂層材料里含有強(qiáng)吸水性物質(zhì)，在結(jié)霜初始階段可將凝結(jié)在冷板表面上的水珠吸附到親水涂料層的內(nèi)部，同時(shí)由于涂料層內(nèi)含有能使吸附的水珠不發(fā)生凍結(jié)的物質(zhì)，因此能夠延緩形成初始霜晶 。

疏水性表面由于表面能差異以及水的表面張力，冷凝水與壁面會(huì)形成不同的固定接觸角θ，θ角度與臨界脫落半徑成反比，也就是說(shuō)疏水性越好，其表面能會(huì)越小，液滴脫離需克服的粘附功就越小，因而越容易脫落進(jìn)而能夠有效的抑制結(jié)霜。

目前，國(guó)內(nèi)北京工業(yè)大學(xué)、大連海事大學(xué)、大連理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所等研究機(jī)構(gòu)對(duì)換熱器表面涂層抑制結(jié)霜進(jìn)行了較為深入的研究。其中北京工業(yè)大學(xué)研制的親水涂料在冰箱上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 親水性抑霜涂層應(yīng)用研究

目前的研究通常采用丙三醇等作為親水表面涂層的材料 。

Okoroafor（2000） 采用高聚物親水表面進(jìn)行了抑霜試驗(yàn)，兩個(gè)多小時(shí)的試驗(yàn)取得了較好的抑制結(jié)霜效果，高聚物親水表面結(jié)霜速率及霜層厚度減少了1030%，但親水表面涂層的厚度較厚，一般大于0.7mm以上。涂層材料雖然起一定的防霜抑霜作用，但涂層較厚會(huì)增加實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中換熱器表面的熱阻，同時(shí)也會(huì)減少了空氣流通面積，并且Okoroafor并沒(méi)有說(shuō)明這種親水表面涂層重復(fù)使用的情況。

劉鳳珍等（2000） 采用丙三醇（甘油）作為親水涂層材料，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空氣中的水蒸氣不斷凝結(jié)于冷壁表面的丙三醇中，使溶液濃度不斷被稀釋，因此延緩了結(jié)霜現(xiàn)象的出現(xiàn)，而隨著丙三醇逐漸被空氣帶走，親水涂層消失后還是會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜。

Webb等（2001）實(shí)驗(yàn)研究表明，親水性的表面相對(duì)于疏水性表面，更適用于始終維持在低溫環(huán)境下的換熱器。因?yàn)樵谌谒⒔Y(jié)霜過(guò)程中，親水性表面上的水滴不易快速揮發(fā)、從而在融霜后容易重新結(jié)冰，不適用于反復(fù)融霜、結(jié)霜的條件下 。

英國(guó)Highgate（2003）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，親水涂層里可以吸附大量的水份及存貯部分潛冷，被吸附的水能夠達(dá)到-20℃都不結(jié)成冰 。

北京工業(yè)大學(xué)張新華等（2006） 對(duì)含有納米SiO涂層的親水表面上進(jìn)行了結(jié)霜試驗(yàn)研究。測(cè)量了涂層表面與紫銅板表面之間的接觸角，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)比了涂層表面與紫銅表面的霜層厚度。試驗(yàn)表明環(huán)境相對(duì)濕度比較小、冷壁表面溫度不太低的工況下，這種含有納米SiO涂層具有較好地抑霜效果。采用紅外成像儀測(cè)量不同時(shí)刻的霜層表面溫度，可以得知這種親水涂層材料具有較小的傳熱熱阻，其與具有較大傳熱熱阻的霜層相比幾乎可以被忽略。但隨著霜層厚度的增加，涂層就失去了抑霜的作用。

針對(duì)目前親水涂層材料存在的各種缺陷，北京工業(yè)大學(xué)在原有涂層材料的配方基礎(chǔ)上研制了一種強(qiáng)吸水性涂料，其抑霜效果和使用壽命等方面有一定進(jìn)步。實(shí)驗(yàn)表明在空氣相對(duì)濕度較低、冷壁表面溫度較高的工況下可以長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)不結(jié)霜，但是涂層材料膜的厚度也較厚，達(dá)0.3 mm～0.4mm；在高濕度、低壁溫的工況下，涂層材料抑制結(jié)霜效果不明顯，而且其表面較柔軟，抗沖擊能力較差。之后改進(jìn)了涂料的工藝和配方，新型的強(qiáng)吸水性抑霜涂料在成膜厚度、表面硬度、反復(fù)使用壽命及高濕度、低壁溫條件下抑霜效果等方面均有明顯的改善，而且新涂層材料成膜厚度只有0.03mm，僅為之前涂料層厚度的10%。兩個(gè)月的重復(fù)實(shí)驗(yàn)表明該種新型涂層的抑霜能力基本保持不變。改良后的涂料在高濕度、低壁溫環(huán)境下的抑霜時(shí)間比以往涂料可以增加兩個(gè)小時(shí)以上。分析認(rèn)為這種親水涂料的抑霜機(jī)理可能是由于其所含有高分子類樹(shù)脂以及水分子具有極性特點(diǎn) 。將這種親水涂料應(yīng)用于一翅片管式換熱器（日本大金空調(diào)公司提供）上并測(cè)試了抑霜效果，翅片的間距為1.7mm，親水涂層的厚度為0.03mm。結(jié)果表明親水涂層可以延長(zhǎng)第一個(gè)除霜周期，具有良好的抑霜作用，但在第二個(gè)循環(huán)周期只持續(xù)了39分鐘，因而親水涂層在換熱器上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。這種親水涂料還應(yīng)用在冰箱上進(jìn)行了抑霜效果驗(yàn)證。厚度為0.2mm的涂料刷涂于冰箱冷凍室內(nèi)壁，十個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行表明抑霜效果較明顯 。但對(duì)這種涂層的厚度、牢固性以及耐久性仍有待于進(jìn)一步的深入研究。

東南大學(xué)楊劍（2006） 對(duì)疏水性涂層及吸水性涂層抑制結(jié)霜進(jìn)行了研究，疏水性涂層材料采用了車(chē)蠟，吸水性涂層材料則采用丙三醇。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在低溫低濕條件下，吸水性涂層具有的明顯抑制結(jié)霜效果，其不僅能夠減少結(jié)霜量，而且會(huì)延長(zhǎng)結(jié)霜時(shí)間，但在高溫、高濕條件下，則適宜采用疏水性涂層材料來(lái)防霜抑霜。

東南大學(xué)蔡亮等（2008） 采用丙三醇進(jìn)行的吸水性涂層抑霜試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，吸水性涂層在初始階段抑霜效果最好，其抑霜能力隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸下降。

總而言之，目前親水性涂層材料存在反復(fù)實(shí)用性較差、惡劣工況下抑霜作用不明顯以及表面硬度較低等特點(diǎn)，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)材料厚度、持久性等的研究。

3 疏水性表面抑霜應(yīng)用研究

疏水性表面涂層的材料常用硅油或硅脂、四氯乙烯(TPEF)、硅酮、車(chē)蠟等。但單一的涂層延緩結(jié)霜的效果欠佳，因此近年，也有不少研究者主要采用化學(xué)方法、機(jī)械加工方法、電腐蝕方式等方法來(lái)形成疏水角在160度以上的超疏水表面。

2003年，大連海事大學(xué)與冰山集團(tuán)大連冷凍機(jī)股份有限公司合作，將研制的高疏水性涂層應(yīng)用于空冷器上并進(jìn)行了性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)表明高疏水性涂層不僅可以改善空冷器濕工況下的傳熱性能，而且可以降低冷表面結(jié)霜溫度 。之后，大連海事大學(xué)（2010） 在硅基板表面上采用激光方法加工組裝成膜，使硅基板表面接觸角最高達(dá)156度，制成具有超疏水性能的硅材料基板。

河南新飛電器有限公司（2006） 采用化學(xué)方法和電化學(xué)方法，在鋁箔表面形成了具有疏水納米結(jié)構(gòu)的表面，疏水角在160度以上，并對(duì)這種結(jié)構(gòu)的鋁箔進(jìn)行了結(jié)霜、化霜的初步研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)霜速度比普通結(jié)構(gòu)的鋁箔慢而且化霜速度也比普通快。但納米疏水表面制作過(guò)程較長(zhǎng)，不利于大批量生產(chǎn)。

北京工業(yè)大學(xué)勾星君、劉中良等（2007）研究了仿生超疏水表面以及紫銅表面上的結(jié)霜情況。其自制的仿生超疏水表面與水滴的接觸角可以達(dá)到162 ，因液滴表面凝結(jié)能障增大而減少形成液滴數(shù)量，進(jìn)而可以延長(zhǎng)水滴凍結(jié)及初始霜晶出現(xiàn)的時(shí)間，在這種仿生超疏水表面上出現(xiàn)初始霜晶的時(shí)間可以比普通的紫銅表面延遲55分鐘以上。這種仿生超疏水表面的成霜過(guò)程不同于普通的固體表面，霜晶圍繞局部中心橫向生長(zhǎng)形成類似菊花狀或麥穗狀的霜晶團(tuán)。

大連理工大學(xué)周艷艷等（2008） 應(yīng)用化學(xué)刻蝕法在鋁基表面制作了納米一微米粗糙結(jié)構(gòu)，形成接觸角大于161度的超疏水表面。這種超疏水表面在低溫環(huán)境下能產(chǎn)生一定的抑制結(jié)霜作用。試驗(yàn)表明接觸角越大抑霜效果越好。但長(zhǎng)時(shí)間在低溫結(jié)霜環(huán)境下，疏水表面會(huì)失去超疏水特性，需要烘烤使之恢復(fù)。

目前關(guān)于利用超疏水表面抑制結(jié)霜的應(yīng)用報(bào)道也比較少。疏水表面現(xiàn)有的制備方法存在制作步驟復(fù)雜、條件苛刻、成本較高等問(wèn)題，而且存在材料表面結(jié)構(gòu)易老化磨損、易被污染、強(qiáng)度低、使用壽命短等缺點(diǎn) 。

此外，強(qiáng)疏水表面特性的影響也僅局限于結(jié)霜初期，如果冷壁表面形成霜層，則表面疏水特性將不再起作用，因此疏水性涂層在目前仍無(wú)法成為有效實(shí)用的抑霜技術(shù)。

4 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于親水性涂層、疏水性表面的探索研究基本以實(shí)驗(yàn)為主，大部分的研究缺少對(duì)涂層、表面的牢固性以及耐久性進(jìn)行深入研究。綜上所述，可以初步得出以下結(jié)論：1）親水性涂層材料在結(jié)霜初期具有較好的抑霜效果，其抑霜能力隨著霜層厚度的增加、時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸下降，且在惡劣工況下的抑霜效果不明顯。親水性涂層材料抑霜技術(shù)在制冷領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程仍有待于進(jìn)一步的技術(shù)突破；2）疏水性表面在低溫環(huán)境下能產(chǎn)生一定的抑制結(jié)霜作用，但抑霜效果也是局限于結(jié)霜初始階段，對(duì)霜層生長(zhǎng)期的影響不大。而且疏水性表面制備過(guò)程繁瑣，未能批量生產(chǎn)。疏水性表面抑霜技術(shù)具有一定的局限性。3）綜合而言，親水性表面相對(duì)于疏水性表面，可能更適用于溫度環(huán)境始終維持在低溫、低濕下的換熱器。而疏水性涂層則可能更適用于高溫、高濕的工況。

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