101 亲水及疏水表面处理对空调换热器性能的影响

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1、亲水及疏水表面处理对空调换热器性能的影响河北工程大学张杰任艳梁慧敏摘要：从超亲水表面和超疏水表面入手研究了表面润湿性对空调换热器性能的影响。对于超亲水表面，文中概述了其亲水机理、制备方法、对空调制冷效果的影响。对超疏水表面也进行了相应的概述。本文也阐述了二者的研究进展，并提出了优化的换热器表面对空调节能的重要性。关键词：超亲水表面超疏水表面润湿性换热器制冷量0、引言家用空调通常采用铜管铝翅片蒸发器。在以往的研究中，对空调的系统优化、节能研究已取得很大的成果。为了进一步改善其性能，笔者从改善换热器表面性能入手，通过研究传热表面的亲水性和疏水性对表面润湿性的影响

2、，从而采用优化、合理的换热器表面，改善空调的工作环境，提高换热器的传热效率。人们把通过表面改性获得跟水的接触角<5°称为超亲水表面。1997年Wang等[1]发现经紫外光照射的TiO2半导体薄膜具有超亲水性，即水与TiO2半导体薄膜表面接触，接触角由几十度迅速变小，最后达到0±1°，从此人们就开始了对超亲水性涂料薄膜的研究。现在报道的超亲水涂料主要有TiO2薄膜、对TiO2进行改性的双组分薄膜等[2]。超疏水表面是指通过表面改性获得跟水的接触角在150°以上,滚动角小于10°[3]的表面。Barthlott和Neinhuis[4-5]通过观察植物叶表面的微观

3、结构，认为植物叶子表面的超疏水性和自清洁效果是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共同引起的。中科院研究员江雷还发现“在荷叶表面微米结构的乳突上存在纳米结构，这种纳米结构与微米结构的乳突相结合的双微观结构是引起表面防污自洁的根本原因”[6]。国际上对超疏水性涂层的研究始于20世纪50年代，到20世纪90年代末，随着表面科学技术的发展，制备超疏水性表面引起了人们的关注。1、超亲水表面1.1超亲水性作用机理超亲水表面的形成一般有两种方法，其作用机理各不相同。第一种是利用光催化物质，如二氧化钛及氧化锌，它们具有光致亲水性[7]。当涂有二氧化钛的表面暴露于

4、紫外线就会变得潮湿，并且它与水的接触角接近于零，此时，表面就具有超亲水的性能[8-9]。相反地，当表面放置在黑暗的环境中，由光催化活性引起的超亲水性薄膜通常会在几个小时内失去其表面亲水能力，其表面就会变成疏水表面。光催化表面是由于有桥位氧的存在，受紫外光激发时，在表面上生成活性氧自由基，可以和空穴反应生成氧基空穴。同时，水吸附在氧基空穴中，成为化学吸附水，在表面形成均匀分布的纳米尺度的亲水微区，导致亲水性表面的形成。但是，它们产生的羟基集团与桥位氧相比并不稳定，当停止光照时，化学吸附的羟基被空气中的氧取代，又回到疏水状态[10]。第二种方法是通过对物质表面化

5、学和几何微结构的改造，质感的表面或微孔表面可以使材料具有超亲水性能，水会被吸附在材料表面的凹缝里，剩下的水滴流在固体和液体的拼凑面上[11-12]。ShuSong等[13]在溶胶水热过程中利用十二烷基苯磺酸钠(DBS)对TiO2进行改性，再浸渍在ITO玻璃上形成薄膜，在无紫外光的照射下，薄膜依然呈现出超亲水性。其超亲水性是由于固体表面形成分层结构而导致高的粗糙度，薄膜会随着水滴的增加而不断地蔓延，水会被吸附在材料表面的凹缝里，从而表现超亲水性能。1.2超亲水表面制备方法空调环境下空气中含有细菌和一些致病微生物，铜制空调与普通铝制空调相比有显著的抑菌效果。因此

6、，用铜翅片蒸发器代替铝翅片蒸发器可以减轻室内空气污染、改善空气质量。铜有优良的热传导性，但铜表面的湿润性较差。将铝质换热器翅片改造为铜质换热器翅片，并对翅片做亲水处理。处理方法是：把铜翅片放入80℃热水或100℃沸水中。实验结果表明，高温水浴浸泡可以部分改善铜表面的湿润性[14]。国外研究的比较突出的亲水表面有二氧化钛涂层表面。基本有两种不同的涂层方法：一种是浸渍过程，另一种是溅射过程。浸渍过程被广泛运用于大面积的二氧化钛表面涂层，但是，当把这种涂层表面用作实际传热表面时又不够牢固。一种制作牢固二氧化钛涂层表面的方法是射频（RF-RadioFrequency

7、）磁控溅射过程。当涂有TiO2的表面被紫外线照射，接触角在30分钟内大幅度减小，随后，在300分钟内逐渐减小到0〜2°[15]。与此相反，终止紫外光照射后，接触角随着时间的推移逐渐增加，需要几天时间才能返回到原来的疏水状态。薄膜表面晶体结构和粗糙度也是形成超亲水表面的重要因素。研究表明，对TiO2薄膜进行掺杂改性主要是通过提高光催化活性和增加表面粗糙度，从而使薄膜表面更容易具有超亲水性能[16]。二氧化钛及氧化锌亲水薄膜在产品性能和制备技术上都表现出极大的优点，即极强的亲水性能和光催化性能，但也有较为明显的缺点，即亲水持续时间短。可见，如何解决其亲水薄膜在没

8、有光照以后的亲水性能降低问题是提高超亲水性保持时间的