表面涂層抑制結霜的應用研究現(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

冬季空氣源熱泵機組換熱器表面結霜是非常普遍的現(xiàn)象，如換熱器表面結霜，將會對換熱器的工作性能造成較大影響，因此，國內(nèi)外一些研究者采用了表面處理技術（親水性涂層或疏水性表面）對換熱器表面抑制結霜進行實驗研究。

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、揮發(fā)性等是影響降低結霜速率的重要因素。

關于親水性涂層的抑制結霜機理目前還存在著一些爭議，大多數(shù)認為是由于親水性涂層材料里含有強吸水性物質(zhì)，在結霜初始階段可將凝結在冷板表面上的水珠吸附到親水涂料層的內(nèi)部，同時由于涂料層內(nèi)含有能使吸附的水珠不發(fā)生凍結的物質(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，也就是說疏水性越好，其表面能會越小，液滴脫離需克服的粘附功就越小，因而越容易脫落進而能夠有效的抑制結霜。

目前，國內(nèi)北京工業(yè)大學、大連海事大學、大連理工大學、中國科學院化學研究所等研究機構對換熱器表面涂層抑制結霜進行了較為深入的研究。其中北京工業(yè)大學研制的親水涂料在冰箱上進行了試驗驗證。

2 親水性抑霜涂層應用研究

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行了抑霜試驗，兩個多小時的試驗取得了較好的抑制結霜效果，高聚物親水表面結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，但涂層較厚會增加實際應用過程中換熱器表面的熱阻，同時也會減少了空氣流通面積，并且Okoroafor并沒有說明這種親水表面涂層重復使用的情況。

劉鳳珍等（2000） 采用丙三醇（甘油）作為親水涂層材料，實驗過程中空氣中的水蒸氣不斷凝結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出現(xiàn)結霜。

Webb等（2001）實驗研究表明，親水性的表面相對于疏水性表面，更適用于始終維持在低溫環(huán)境下的換熱器。因為在融霜、結霜過程中，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冰，不適用于反復融霜、結霜的條件下 。

英國Highgate（2003）經(jīng)過試驗驗證，親水涂層里可以吸附大量的水份及存貯部分潛冷，被吸附的水能夠達到-20℃都不結成冰 。

北京工業(yè)大學張新華等（2006） 對含有納米SiO涂層的親水表面上進行了結霜試驗研究。測量了涂層表面與紫銅板表面之間的接觸角，在不同的實驗條件下對比了涂層表面與紫銅表面的霜層厚度。試驗表明環(huán)境相對濕度比較小、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。采用紅外成像儀測量不同時刻的霜層表面溫度，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。

針對目前親水涂層材料存在的各種缺陷，北京工業(yè)大學在原有涂層材料的配方基礎上研制了一種強吸水性涂料，其抑霜效果和使用壽命等方面有一定進步。實驗表明在空氣相對濕度較低、冷壁表面溫度較高的工況下可以長時間持續(xù)不結霜，但是涂層材料膜的厚度也較厚，達0.3 mm～0.4mm；在高濕度、低壁溫的工況下，涂層材料抑制結霜效果不明顯，而且其表面較柔軟，抗沖擊能力較差。之后改進了涂料的工藝和配方，新型的強吸水性抑霜涂料在成膜厚度、表面硬度、反復使用壽命及高濕度、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%。兩個月的重復實驗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)境下的抑霜時間比以往涂料可以增加兩個小時以上。分析認為這種親水涂料的抑霜機理可能是由于其所含有高分子類樹脂以及水分子具有極性特點 。將這種親水涂料應用于一翅片管式換熱器（日本大金空調(diào)公司提供）上并測試了抑霜效果，翅片的間距為1.7mm，親水涂層的厚度為0.03mm。結果表明親水涂層可以延長第一個除霜周期，具有良好的抑霜作用，但在第二個循環(huán)周期只持續(xù)了39分鐘，因而親水涂層在換熱器上的應用還有待進一步的改進。這種親水涂料還應用在冰箱上進行了抑霜效果驗證。厚度為0.2mm的涂料刷涂于冰箱冷凍室內(nèi)壁，十個月的實際運行表明抑霜效果較明顯 。但對這種涂層的厚度、牢固性以及耐久性仍有待于進一步的深入研究。

東南大學楊劍（2006） 對疏水性涂層及吸水性涂層抑制結霜進行了研究，疏水性涂層材料采用了車蠟，吸水性涂層材料則采用丙三醇。試驗發(fā)現(xiàn)在低溫低濕條件下，吸水性涂層具有的明顯抑制結霜效果，其不僅能夠減少結霜量，而且會延長結霜時間，但在高溫、高濕條件下，則適宜采用疏水性涂層材料來防霜抑霜。

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

總而言之，目前親水性涂層材料存在反復實用性較差、惡劣工況下抑霜作用不明顯以及表面硬度較低等特點，仍需進一步加強對材料厚度、持久性等的研究。

3 疏水性表面抑霜應用研究

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

2003年，大連海事大學與冰山集團大連冷凍機股份有限公司合作，將研制的高疏水性涂層應用于空冷器上并進行了性能對比試驗，試驗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霜溫度 。之后，大連海事大學（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） 采用化學方法和電化學方法，在鋁箔表面形成了具有疏水納米結構的表面，疏水角在160度以上，并對這種結構的鋁箔進行了結霜、化霜的初步研究，實驗結果表明結霜速度比普通結構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程較長，不利于大批量生產(chǎn)。

北京工業(yè)大學勾星君、劉中良等（2007）研究了仿生超疏水表面以及紫銅表面上的結霜情況。其自制的仿生超疏水表面與水滴的接觸角可以達到162 ，因液滴表面凝結能障增大而減少形成液滴數(shù)量，進而可以延長水滴凍結及初始霜晶出現(xiàn)的時間，在這種仿生超疏水表面上出現(xiàn)初始霜晶的時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程不同于普通的固體表面，霜晶圍繞局部中心橫向生長形成類似菊花狀或麥穗狀的霜晶團。

大連理工大學周艷艷等（2008） 應用化學刻蝕法在鋁基表面制作了納米一微米粗糙結構，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)生一定的抑制結霜作用。試驗表明接觸角越大抑霜效果越好。但長時間在低溫結霜環(huán)境下，疏水表面會失去超疏水特性，需要烘烤使之恢復。

目前關于利用超疏水表面抑制結霜的應用報道也比較少。疏水表面現(xiàn)有的制備方法存在制作步驟復雜、條件苛刻、成本較高等問題，而且存在材料表面結構易老化磨損、易被污染、強度低、使用壽命短等缺點 。

此外，強疏水表面特性的影響也僅局限于結霜初期，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法成為有效實用的抑霜技術。

4 結論

目前國內(nèi)關于親水性涂層、疏水性表面的探索研究基本以實驗為主，大部分的研究缺少對涂層、表面的牢固性以及耐久性進行深入研究。綜上所述，可以初步得出以下結論：1）親水性涂層材料在結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、時間的增長而逐漸下降，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在制冷領域的實用化進程仍有待于進一步的技術突破；2）疏水性表面在低溫環(huán)境下能產(chǎn)生一定的抑制結霜作用，但抑霜效果也是局限于結霜初始階段，對霜層生長期的影響不大。而且疏水性表面制備過程繁瑣，未能批量生產(chǎn)。疏水性表面抑霜技術具有一定的局限性。3）綜合而言，親水性表面相對于疏水性表面，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。

[1] 姜益強，柴永金，姚楊. 延緩空氣源熱泵機組結霜的研究現(xiàn)狀與進展.制冷與空調(diào)，2009，23（1）：1-5.

[2] 楊劍.抑制結霜的實驗研究和霜層生長的模擬與預測.東南大學. 2006.

[3]E.U.Okoroafor.M.Newborough.Minimising Frost Growth on Cold Surfaee ExPosed to Humid Air by Means of Crosslinked Hydro Philie Poleric Coatings.APPlied Thermal Engineering，2000，(20):737一758.

[4]劉鳳珍，陳煥新.降低結霜速率問題的研究.長沙鐵道學院學報，2000，18(3):49一51.

[5]CN 101307208A 高疏水性防結冰及防結霜涂料及其制備方法 中國科學院化學研究所.

[6]張新華，劉中良，王皆騰.自然對流下含納米SiO2涂層表面抑霜研究，工程熱物理學報，2006.

[7]勾星君，表面特性對自然對流條件下冷平板上結霜過程影響的實驗研究，北京工業(yè)大學碩士論文，2007.

[8] 劉中良，黃玲艷，勾昱君.結霜現(xiàn)象及抑霜技術的研究進展.2010 制冷學報，31（4）：1-13.

[9] 蔡亮，侯普秀，楊劍.吸水性涂層在霜層生長初期的抑霜.江蘇大學學報.2008.（3）29：227-230.

[10] 黃靜，岳丹婷. 高疏水性空冷器性能的試驗研究.制冷與空調(diào)，2003.3（2）：62-94.

[11]李杰,張會臣,連峰.基于激光加工和自組裝技術硅基底超疏水表面的制備.功能材料.2010.9（4）：1618-1622.

[12] 王躍河.納米超疏水技術在制冷領域中的應用研究[J].研究探討，2006( 10): 40- 42.

[13]勾星君，劉中良.表面特性對自然對流條件下冷平板上結霜過程影響的實驗研究仁D〕.北京:北京工業(yè)大學，2007.

[14] 周艷艷.鋁基超疏水表面抗結霜結冰特性研究.大連理工大學.2010.

[15] 郭春芳.超疏水性材料的研究現(xiàn)狀及應用.材料研究及應用，2010（3）：161-163.