超疏水纳米涂层强化构建机理及其防露和抗霜特性研究

摘要

气-液-固相变行为是能量转换时最普遍存在的现象之一，这些相变行为最直观的表现就是在低温表面的结露和结霜行为，这对以空调为代表的换热器来说是非常不利的，甚至已经成为制约其发展与应用的主要瓶颈，因此，解决或缓解其传热面的结露和结霜问题对增强低温传热意义重大，是目前低温传热、制冷领域亟待解决的重点课题之一。本论文提出在低温传热表面构建冷凝露滴自驱弹跳效应来有效延缓冷凝物的堆积从而实现增强其低温传热特性为技术路线，通过超疏水纳米结构的可控构建及其规模化制备技术的开发，重点研究了其强化构建机制、冷凝物的自迁移特性及其对冷凝传热的影响机理，并首次验证了该表面有效地提高了空调换热器的低温传热，从材料层面实现了对其结露和结霜问题的突破，具有重大的发展与应用前景。具体研究内容与结果如下： 基于有机-无机杂化和底面复合技术制备的超疏水复合涂层的表面耐磨损性具有明显提高，主要取决于纳米颗粒与树脂之间的润湿性及其在树脂增强体中的分布方式以及树脂增强体本身的机械稳定性。其中，对底面复合制备技术而言，树脂半固化时间的精准调控对增强其机械稳定性也表现得极为重要。提出了以软硬树脂复合技术制备的FEVE/EVA超疏水复合涂层在经受砂纸打磨70个周期、-198℃至150℃范围内热处理、20次冻融循环以及各种腐蚀液浸泡2周后均可持续保持超疏水特性。提出一种新型的制备技术获得的柔性FEVE/EVA超疏水薄膜具有半透明、可裁剪、可拉伸、耐高低温处理、抗撞击、耐磨损以及耐污染等综合特性，并建立了其在拉伸状态下的润湿性模型。为构建稳定超疏水表面提供了研究基础和技术指导。 基于表面冷凝露滴自驱弹跳效应的需求，构建了Al2O3纳米阵列、SiO2纳米多孔和CNT/SiO2多级纳米结构，深入探索了露滴的自迁移特性，并建立了冷凝露滴的自发式合并弹跳和触发式合并弹跳模型。通过与非弹跳模式超疏水涂层的比较发现，冷凝1000s后，未处理的表面几乎被露滴完全覆盖形成水膜，SiO2纳米多孔超疏水涂层表面直径达到10-50μm的露滴低于10%，单分散球形和气相团聚型SiO2纳米超疏水涂层表面直径达到10-50μm的露滴接近30%，且超过50μm的露滴接近20%。结合超浸润表面Cassie态热力学稳定性的计算，揭示了在微纳尺度下的超浸润表面只有获得更高的粗糙度才足以使其表面在低温环境中保持微米级的露滴以Cassie态的形式存在。为防结露表面的设计与应用提供了研究基础。 基于超疏水纳米阵列和纳米多孔表面，系统表征了其在低温传热时的结霜和融霜特性，探索了超疏水表面抗结霜机理，并建立了霜晶的自迁移模型。实验表明在-10℃下结霜60min后，Al2O3纳米阵列超疏水表面的霜层高度约为亲水表面的70%，通过与理论计算结合，揭示了表面的疏水性越好其结霜越困难。结霜初期的冷凝露滴自驱弹跳行为使得超疏水表面不但能够有效延缓结霜同时也增强了其表面的相变传热。融霜实验表明，超疏水表面的霜晶除了在横向上的自迁移外，还首次发现了其表面的霜晶在纵向上也存在霜晶的自迁移特性并建立了运动模型，为超疏水表面的快速融霜理论提供了重要补充。为增强超疏水表面抗结霜的设计和应用提供了新的思路和研究基础。 基于以上研究，开发了超疏水空调换热器的规模化制备技术并系统评价了其冷凝传热特性，通过超疏水翅管式换热器构建的风机盘管（室内机）与商业的亲水风机盘管相比，额定工况下制冷量增加了约8.06%，凝露工况下制冷量增加了约5.01%。通过模拟室外工况，结霜60min后，超疏水换热器表面的霜重是亲水换热器的81.82%，总换热量提高了16.54%。融霜时，超疏水换热器的融霜时间是亲水换热器的52.78%，融霜耗热量降低了47.20%。以两步法在辐射板式超疏水换热器金属面板制备的FEVE/EVA增强的超疏水复合涂层有效地降低了其表面的凝露温度，使得其在不产生凝露的工况下能够提供更大的供冷量。为不同类型的超疏水换热器的设计与应用提供了研究基础和技术指导，并有望在实际生活和生产中展开应用。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 结露和结霜现象

1.2 结露和结霜对换热器的影响

1.2.1 结露对空调冷凝传热的影响

1.2.2 结霜对热泵传热的影响

1.3 超疏水表面主要特性及其应用领域

1.3.1 表面润湿性原理与分类

1.3.2 超疏水表面应用研究

1.4 超疏水涂层技术研究现状

1.4.1 低表面能材料的表面粗糙化

1.4.2 粗糙表面的低表面能修饰

1.4.3 超疏水纳米涂层

1.4.4 涂层强化构建技术

1.5 超疏水表面结露和结霜特性研究现状

1.5.1 防结露与冷凝传热

1.5.2 抗结霜/冰

1.6 研究意义及研究内容

1.6.1 研究意义

1.6.2 研究内容

第二章 工艺路线与研究方法

2.1 工艺路线

2.2 试验材料与仪器

2.2.1 试验材料

2.2.2 试验仪器

2.3 超疏水表面的制备技术

2.3.1 Al2O3纳米阵列超疏水表面

2.3.2 SiO2纳米超疏水涂层

2.3.3 CNT/SiO2多级纳米超疏水涂层

2.4 超疏水涂层强化技术

2.4.1 有机-无机杂化技术

2.4.2 底面复合技术

2.5 超疏水换热器的规模化制备

2.5.1 湿化学氧化法

2.5.2 浸渍提拉法

2.5.3 喷涂法

2.6 表征与测试

2.6.1 润湿性测试

2.6.2 冷凝测试系统

2.6.3 冻融测试

2.6.4 热稳定性测试

2.6.5 耐磨损测试

2.6.6 耐化学浸泡性和耐候性测试

第三章 超疏水纳米涂层强化构建技术及其稳定性机制研究

3.1 引言

3.2 有机-无机杂化技术及其稳定性

3.2.1 表面特征与润湿性

3.2.2 表面机械稳定性

3.2.3 热稳定性与耐酸碱性

3.2.4 耐老化性及其防污自洁特性

3.3 底面复合技术及其稳定性

3.3.1 单一树脂对超疏水涂层的表面增强作用

3.3.2 复合树脂对超疏水涂层的表面增强作用

3.3.3 超疏水复合涂层的热稳定性与化学稳定性

3.3.4 超疏水复合涂层的户外综合稳定性

3.4 可转移柔性超疏水薄膜的制备技术及其稳定性

3.4.1 可转移柔性超疏水薄膜的制备技术及其表面特性

3.4.2 可转移柔性超疏水薄膜的拉伸强度

3.4.3 可转移柔性超疏水薄膜的抗冲击特性

3.4.4 可转移柔性超疏水薄膜的耐磨损与自清洁特性

3.5 超疏水纳米涂层的稳定性增强机制

3.5.1 有机-无机杂化技术

3.5.2 底面复合技术

3.5.3 拉伸状态下的超疏水机制

3.6 本章小结

第四章 超疏水纳米涂层防结露特性研究

4.1 引言

4.2 Al2O3纳米阵列表面的制备及其防结露特性

4.2.1 表面特征与润湿性

4.2.2 冷凝露滴自驱弹跳行为

4.2.3 冷凝露滴的分布统计

4.3 SiO2纳米超疏水涂层的制备及其防结露特性

4.3.1 表面特征与润湿性

4.3.2 冷凝露滴自驱弹跳行为

4.3.3 冷凝露滴非弹跳合并行为

4.3.4 冷凝露滴的分布统计

4.4 CNT/SiO2多级纳米超疏水涂层的制备及其防结露特性

4.4.1 表面特征与润湿性

4.4.2 冷凝露滴自驱弹跳行为及其分布统计

4.5 超疏水表面冷凝露滴自驱弹跳机制

4.5.1 超疏水表面Cassie态热力学稳定性

4.5.2 超疏水表面露滴的合并自驱弹跳模型

4.6 本章小结

第五章 超疏水纳米涂层抗结霜特性研究

5.1 引言

5.2 Al2O3纳米阵列表面的抗结霜特性

5.2.1 Al2O3纳米阵列表面的结霜特性

5.2.2 Al2O3纳米阵列表面的融霜特性

5.3 SiO2纳米多孔超疏水涂层的抗结霜特征

5.3.1 SiO2纳米多孔超疏水涂层的结霜特性

5.3.2 SiO2纳米多孔超疏水涂层的融霜特性

5.4 超疏水表面抗结霜及融霜自驱弹跳模型

5.4.1 结霜初期的形核势垒与形核密度

5.4.2 露滴的生长、冻结与霜层的叠加

5.4.3 融霜自驱弹跳模型

5.5 本章小结

第六章 超疏水换热器的制备技术及其系统特性研究

6.1 引言

6.2 超疏水翅管式换热器的规模化构建技术研究

6.2.1 湿化学氧化法构建超疏水翅管式换热器

6.2.2 浸渍提拉法构建超疏水翅管式换热器

6.2.3 两步喷涂法构建超疏水翅管式换热器

6.3 超疏水翅管式换热器的系统传热特性

6.3.1 超疏水翅管式换热器供冷传热特性

6.3.2 超疏水翅管式换热器抗霜传热特性

6.4 超疏水辐射板式换热器的规模化构建及其传热特性

6.5 本章小结

第七章 研究总结与展望

7.1 本文主要工作及结论

7.2 论文的主要创新点

7.3 研究展望

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和其他成果