超疏水表面的滴状凝结换热研究进展

林萌雅，高文忠，贾静，黄兴宗

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

超疏水表面在自清洁、防污染等领域有着广泛的应用前景，因而超疏水表面的相关研究成为了研究热点。近年来，众多学者对超疏水表面的制备及其冷凝换热作了大量的研究[1-5]。超疏水表面的表面特性和润湿性，对强化滴状冷凝换热过程有着潜在优势。超疏水表面的滴状凝结换热主要受表面微结构和湿润性影响，而表面微结构参数和湿润性能受限于超疏水表面制备技术。对于超疏水表面的制备及其滴状冷凝换热研究，对研发新型强化换热技术有着重要的指导意义。

1 超疏水基本理论

固体表面的湿润状态通常用水与固体表面的接触角来描述。当液滴位于固体表面时，会与表面形成一定角度，即接触角[6]。根据液滴与固体表面的接触角大小，可将固体表面分为3类。当接触角小于90°时，该表面为亲水表面；当接触角大于90°时，该表面为疏水表面；当接触角大于150°时，该表面为超疏水表面[7-8]。

1805年，young用式(1)描述了固、液、气三相界面上液体对固体的接触角与三相间的表面张力的关系[9]。

cosθ=(γsg-γsl)γlg

(1)

其中，θ为接触角，γsg为固气间的表面张力，γsl为固液间的表面张力，γlg为液气间的表面张力。

1936年，Wenzel发现表面的粗糙结构会加强表面的浸润性，并引入表面粗糙因子(r)，即实际固液接触面积与几何投影的固液接触面积的比值[10]。相应的 Wenzel 方程为：

cosθw=r(γsg-γsl)γlg

(2)

其中，θw为表征接触角。

Cassie和Baxter在Wenzel理论的基础上，认为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为水在粗糙固体表面的接触角，θs为液滴和固体表面的本征接触角，fs为液滴在接触面所占的百分比。

2 超疏水表面的制备方法

通过大量的研究发现，具有超疏水性能的表面普遍是由该表面的粗糙结构和低表面能物质所决定[12-14]。因此，超疏水表面可通过改变表面结构和表面物质进行制备。目前，常用的制备方法有：沉积法、自组装法、模板法、溶胶-凝胶法等。

沉积法具有方便、快速等优点，且不需要复杂的制备条件和方法，已广泛应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)的前驱体溶液为原料，通过一步电沉积的方法，在低碳钢(MS)表面制备了无颗粒和不含氟的超疏水薄膜。自组装法是指在没有人为干预的情况下，各组员之间通过共价键自发形成聚集体的过程，且该聚集体在热力学上稳定、结构上确定和性能上特殊。Gao等[16]基于自由基聚合反应，合成了一系列不同嵌段长度的聚甲基丙烯酸异双酯-全氟聚醚-聚甲基丙烯酸异双酯(PIBOMA-PFPE-PIBOMA)三嵌段共聚物。模板法是指以原有的样本为模板进行印刷，得到跟模板相反的图案，然后再经过一次印刷得到跟模板一样的结构的方法。Wang等[17]以6061铝合金管为模板，用聚二甲基硅氧烷进行复制，进一步制备超疏水柔性管。溶胶-凝胶法是属于无机液相合成的一种方法，是通过利用金属的化合物，经过一系列的工艺流程而形成的一种微纳米结构表面[18]。这些工艺流程分别包括溶解、溶胶、凝胶、干燥和热处理等。

以上这几种方法都是比较成熟的超疏水表面制备方法。但这几种方法都有各自的优缺点。自组装法制备简单，厚度可控，但制备时间较长。模板法的最大优势在于生产简单，但是当表面的微观结构尺寸达到纳米级，其加工精度难以满足需求。溶胶-凝胶法虽然操作方便，并可以适应各种材料的基底，但是该方法制得的涂层表面机械强度低，稳定性差。

为了改善上述方法的不足，新型超疏水表面制备方法也在进一步开发。如Zhang等[19]利用可控制粒径的二氧化硅纳米粒子和聚甲基氢硅氧烷在纤维素基基质上制备了超疏水性二氧化硅或有机改性硅酸盐涂层。Lei等[20]提出了一种新颖而有效的方法，该方法是基于大光斑直径(d=960 μm)的红外纳秒激光高速(线速度v=3 m/s)扫描和烧蚀表面，然后经过低表面能剂化学处理，从而达到超疏水状态。随着众多学者的进一步研究，超疏水表面制备技术会越来越完善。

3 超疏水表面的滴状凝结换热实验研究

冷凝传热广泛存在于制冷、海水淡化、化工和发电等领域中。依据液体在固体表面的铺展性和湿润性，可将冷凝分为两大类，分别是膜状冷凝和滴状冷凝。相较于膜状冷凝，滴状冷凝的传热效率更高，可达到相应膜状冷凝传热系数的几倍甚至几十倍[21]。因此，研究超疏水表面的滴状凝结对提高换热效率具有重要的意义。学者们通过对不同超疏水表面进行滴状凝结换热实验研究，探究不同表面对凝结换热的影响[22-25]。其中，滴状凝结换热的影响因素主要有表面微结构参数和润湿性能。

3.1 表面微结构参数对滴状凝结换热的影响

表面微结构参数(表面粗糙度、大小、形状等)对滴状凝结换热性能有重要影响。因此，对表面微结构参数的研究有利于提高凝结换热性能。如Krishnan等[26]通过改变激光功率来改变表面凹槽的深度，并与裸铜表面进行比较，以评价其性能。通过与裸铜表面的对比，得出所有改变表面结构的传热效果都优于未处理过的表面。其中，最大深度硅烷涂层表面的热流密度和传热系数相比于未处理的表面分别提高了97%和88%。

Amir等[27]利用二维双分布函数热点阵玻尔兹曼方法，首次研究了不同纹理的疏水和超疏水表面上液滴的成核、生长、聚并和跳跃的完整循环。首先，通过研究液滴在光滑和粗糙表面上的成核机理，得出蒸汽在完全光滑的表面上的凝结会不稳定。其次，通过研究具有不同接触角的不同纹理的凝结现象，并提出了正确设计纹理表面的方法。Shirsath等[28]通过激光法和电火花切割法制备表面纹理，这两个表面与液滴的最大接触角分别为135°和145°。通过实验观察发现，对于未经过处理的表面，所产生的凝结是膜状凝结。而处理过的表面，所产生的凝结为滴状凝结。Riccardo等[29]采用3种不同蚀刻方法对金属基体进行表面处理，得到不同纳米级粗糙度的表面，并与未经过处理表面的凝结换热性能进行比较。在过冷度为3.5 K的情况下，粗糙度最高的样品达到100 kW/(m2·K)以上，大约为未处理样品换热系数的8倍。

冷凝表面上的微结构可能会影响冷凝液的排放，从而阻碍滴状冷凝换热性能。Lan等[30]分别在镜面抛光的铜基材和具有纳米结构的铜基材上制备正十八烷基硫醇的自组装单层涂层，研究不同表面自由能和纳米结构对滴状凝结的影响。实验结果表明，与镜面抛光的表面相比，具有纳米结构的表面并未改善滴状冷凝传热性能。主要是因为纳米结构阻碍了冷凝液的排放，进一步增大了壁面热阻，降低换热性能。

3.2 表面润湿性对滴状凝结换热的影响

基于表面湿润性也会影响滴状凝结换热，学者也对表面湿润性对凝结换热的影响做了大量的实验研究。如Yin等[31]通过水热反应配合化学改性，获得了一种环保型自愈型Ni3S2超疏水涂层，通过不同的反应体系调节其润湿性，分析不同表面湿润性对换热的影响。Lee等[32]研究了具有超疏水性的交错润湿性表面对冷凝传热的影响，并对不同改性带宽度的表面在水平和垂直表面方向下进行了实验。实验结果表明，交错润湿性表面的冷凝传热受表面形态、表面取向和壁面过冷的影响较大。在不同的表面取向下，可以观察到相反的传热趋势。在水平面上，窄板间距可以提高水平面的换热效率。在没有冷凝物重力作用下扫掠的情况下，交错表面具有增强传热的潜力。

学者们通过实验研究发现，组合湿润性表面可以强化滴状冷凝换热。其基本原理是通过在换热面上设计构造不同的湿润性区域，实现调控冷凝面上的液滴行为，从而减小因液滴附在表面造成的壁面热阻[33]。Alwazzan等[34]在冷凝器管构造疏水性区域(β)和疏水性较弱区域(α)，两个相邻区域的存在会产生湿润性梯度。在β和α区域的宽度分别为0.6 mm和0.3 mm和过冷度Δt=4.3 K的情况下，该表面的冷凝换热系数分别是完全膜状冷凝和完全滴状冷凝的4.8和1.8倍。Ji等[35]分别构造了间距为1.5，2.5，3.5 mm的超亲水-疏水组合表面。通过实验发现，过冷度Δt=6.3 K时，间距为 2.5 mm 的组合表面的换热性能最好，分别是其他两个表面的2.7和3.4倍。彭本利等[36]通过制备不同疏水区宽度的疏水-亲水间隔规则排列的组合表面，研究不同疏水区、亲水区宽度对强化冷凝换热的影响。从实验结果得出，随疏水区宽度的增加，冷凝传热强化系数先增加后减小。

虽然组合润湿性表面可以增强凝结换热，但表面结构设计及蒸汽量的大小会影响强化效果。如果蒸汽量过大或表面结构设计不当，会造成冷凝液堆积，甚至整个换热面可能会覆着一层冷凝液，从而增大换热热阻，影响传热。对于组合湿润性表面强化换热，还需要进一步研究。

4 总结与展望

超疏水表面在各个领域得到了广泛应用，并有着巨大的市场应用价值。超疏水表面的应用，能充分有效促进工业和农业的生产，甚至推动了高新技术的发展。其中，超疏水表面的滴状冷凝换热是学者们的研究热点。本文回顾了近些年制备超疏水表面的技术及其滴状冷凝换热研究进展，主要分析了表面微结构和湿润性对冷凝换热的影响。

对于强化传热方面，可以通过在换热表面构造超疏水表面，从而改变表面微结构和湿润性，就有可能达到强化传热的目的。虽然超疏水表面的冷凝换热受到了学者的广泛关注，但是目前对于超疏水表面上的滴状冷凝换热，还没有形成相对完善的理论体系和成熟的工业应用。造成这一现象的原因是多方面的，但主要原因之一是当前对冷凝基本过程和机理的研究不够充分。因此，超疏水表面的滴状冷凝过程及其机理研究将是未来的研究重点，该技术的应用也将是该领域未来的主要目标。