低能耗抗结霜方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种抗结霜方法，特别涉及一种通过在基材表面形成特定纳米结构而实现低能耗抗结霜的方法，属于节能纳米材料技术领域。
【背景技术】
[0002]结霜现象普遍存在于热泵、冰箱、空调等设备以及航天航空工业中，对于能量消耗及航天航空工业中的安全性影响巨大。以热泵为例，其蒸发器结霜后，不仅会导致热传递效率下降，甚至会使得热泵机组不能正常工作。因此为了增加机械使用寿命、减少能耗，找到抑制结霜的材料或方法非常重要。工业上常用的除霜方法有:自然融霜、喷淋融霜、电热融霜、热气融霜。自然融霜会使得设备间湿度升高，造成再次开机时结霜增快；喷淋融霜只适用于设备温度允许升至O °c以上的场所，且除霜成本增加，设备复杂；电热融霜耗电量大，成本高；热气除霜会影响系统稳定性，且除霜效果仍受除霜量，低位热源不足等因素影响。这些方法都不能从根本上解决问题，且以大量能耗为代价。因此通过简单有效的低能耗方法赋予表面抗结霜性能，具有重要的经济效益和社会效益。
[0003]国内外相继开展了通过改变冷表面特性(制备亲水和疏水表面)来抑制结霜的研究，其中亲水表面[Okoroafor EU, Journal of Physics D-Applied Physics, 1999, 32(18)
,2454?2461; Okoroafor EU, Newborough M, Applied Thermal Engineering, 2000, 20(8)，737~758]耐久性差，被灰尘覆盖后其抑霜作用会受限制，疏水表面由于其成核能垒高而确实能延缓结霜但延迟效果不显著[吴晓敏，王维城，冷面结霜初始形态的理论分析，工程热物理学报，2003，2 (2): 286~288]。李会玲等制备的高疏水性防结冰和防结霜涂料(CN101307208)，在低空气湿度、壁面温度相对较低的情况下，可以将初始霜晶出现的时间延迟3小时以上，结霜量减少40 %。但此技术仅考虑到低湿度环境，未提及高湿度(RH > 50%)环境下防结霜问题，而南方地区冬季时湿度较高，尤其在雨雪天气，相对湿度可达85 %。因此高湿度环境下的防结霜表面的研究是有必要的。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种低能耗抗结霜方法，其可应用为高湿度环境中的抗结霜技术，抗霜效果优良，能耗低，从而克服了现有技术中的不足。
[0005]为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案:
一种低能耗抗结霜方法，包括:在基底表面形成纳米结构，并修饰低表面能物质，从而获得能够延迟霜晶形成和/或加速霜晶融化的微液滴自驱离表面，再结合微能耗辅助方法，在低能耗下实现无霜表面。
[0006]进一步的,所述纳米结构包括纳米锥、纳米针、纳米花中的任一种或两种以上的组入口 ο
[0007]进一步的，所述纳米结构还可包括多尺度纳米结构。
[0008]优选的，所述纳米结构包括阵列分布于基底表面的纳米锥、纳米针、纳米花、多尺度的纳米结构中的任一种或两种以上的组合。
[0009]进一步的，本发明中，用于在基底材料表面形成纳米结构的方法可选自但不限于化学沉积法，电化学腐蚀法，化学腐蚀法，光刻法，静电纺丝法或相分离法。
[0010]进一步的，所述低表面能物质可选自但不限于氟硅烷、硅氧烷、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂或高级脂肪酸。
[0011]进一步的，本发明中，用以修饰低表面能物质的方法可选自但不限于浸泡或蒸镀法。
[0012]进一步的，所述基底的材质可选自任一种合适的有机、无机材料，例如，金属、高分子材料等，且不限于此。
[0013]进一步的，所述微能耗辅助方法可选自但不限于风吹或电热微加热方法等。
[0014]进一步的，所述微能耗辅助方法可以是连续或间歇性实施的。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点包括:通过在基材上形成微液滴自驱离表面，使其在高湿度、低温条件下，能够有效延缓霜晶的形成及蔓延速度，而即使该表面结霜，通过辅以简单的低能耗辅助手段，例如风吹等方式，就可以快速融除霜晶，尤其是在间歇性使用前述低能耗辅助手段时，还可在长时间内实现无霜表面。
【附图说明】
[0016]图1为本发明一典型实施例中所获纳米结构表面上的液滴自驱离图，其中，a为普通平滑表面上液滴无法自驱离而在540 s内结冰的光学图，b为纳米结构表面液滴自驱离图，c、d、e为液滴自驱离细节图。
[0017]图2为本发明一典型实施例中所获纳米结构表面与空白铜片在30 min时的结霜对比照片，a为空白铜片，表面已形成霜层，b为纳米结构表面，此时仅边缘部分有微量霜晶，c为表面上未结霜部分液滴形态。
[0018]图3为本发明一典型实施例中所获纳米结构表面在间歇吹风2 h时的光学图，可以看到其表面无霜晶，其中白色箭头为风向。
【具体实施方式】
[0019]鉴于现有技术的不足，本发明提供了一种新型的低能耗抗结霜方法，其主要技术方案包括:制备具有微液滴自驱离性能的纳米结构表面，并结合微能耗等辅助手段，实现低能耗的抗结霜表面。
[0020]具体而言，本发明可以通过化学沉积法、电化学腐蚀法等在基底上制备各种纳米结构(如纳米锥、纳米针、纳米花、多尺度的纳米结构等)，并在具有纳米结构的基底表面修饰低表面能物质，从而得到微液滴自驱离表面，这种表面在高湿度且壁面温度低于冰点的条件下能够有效延迟霜晶形成，其霜晶覆盖时间为光滑表面的几十倍；进一步结合微能耗辅助手段，可在低能耗下长时间内实现无霜表面。
[0021]以下结合较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
[0022]实施例1
(I)清洗去除铜片表面的有机油脂和无机杂质。
[0023](2)以氯化钴和尿素的混合溶液为反应溶液，将铜片浸入其中，60°C下水浴11 h。取出清洗吹干后，和5 μ L氟硅烷一起放入烘箱中在120 °C时烘2 h，即可得到具有液滴自驱离弹跳性能的纳米锥阵列结构表面(如下简称“纳米结构表面”)。
[0024](3)参阅图2所示系在高湿度(相对湿度60 %，环境温度23 V )，壁面温度_10 V的条件下纳米结构表面和空白铜片(普通光滑铜片)的结霜对比图。可以看到，所述纳米结构表面上，于30 min时只在边缘有少量霜晶存在，在149 min后霜晶才覆盖2.5X3.5 cm的面积，而普通光滑铜片在5 min时就已被霜晶覆盖全部表面,30 min时已形成较厚的霜层。
[0025](4)对所述纳米结构表面施加23 0C>3 m/s的风时，霜晶可轻易融化，而普通光滑铜片表面上霜晶无法融化。而当使用间歇吹风(每10 min内吹I min风,风温和风速同上)时，所述纳米结构表面可在长时间内实现无霜表面。
[0026]实施例2
(I)清洗去除铜片表面的有机油脂和无机杂质。
[0027](2)以氯化钴和尿素的混合溶液为反应溶液，将铜片浸入其中，60°C下水浴6~7 h。取出清洗吹干后，和5 μ L氟硅烷一起放入烘箱中在120 °C时烘2 h，即可得到具有液滴自驱离弹跳性能的纳米针阵列结构表面。
[0028]实施例3
(I)清洗去除铜片表面的有机油脂和无机杂质。
[0029](2)以硝酸锌和氢氧化钠的混合溶液为反应溶液，将铜片浸入其中，60°C下水浴2h。取出清洗吹干后，和5 μ L氟硅烷一起放入烘箱中在120 °C时烘2 h，即可得到具有液滴自驱离弹跳性能的纳米花结构表面。
[0030]实施例4
(I)清洗去除铝片表面的有机油脂和无机杂质。
[0031](2)电解液为2 vt%的磷酸溶液，反应温度50 ° C，电压从25 V开始以0.5 V/10s的速率升高，同时电流随之升高，当电流升至1.0 A时，停止反应。取出清洗吹干后，和5μ L氟硅烷一起放入烘箱中在120 °C时烘2 h，即可得到具有液滴自驱离弹跳性能的柱孔复合的纳米阵列结构(多尺度纳米结构)表面。
[0032]当参照实施例1的方法，对实施例2-4所获纳米结构表面进行抗结霜测试时，可以获得类似的测试结果，其性能远远优于普通的普通光滑铜片、铝片。
[0033]本领域技术人员应当理解，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，但其均落在本发明要求的保护范围。
【主权项】
1.一种低能耗抗结霜方法，其特征在于包括:在基底表面形成纳米结构，并修饰低表面能物质，从而获得能够延迟霜晶形成和/或加速霜晶融化的微液滴自驱离表面，再结合微能耗辅助方法，在低能耗下实现无霜表面。2.根据权利要求1所述的低能耗抗结霜方法，其特征在于所述纳米结构包括纳米锥、纳米针、纳米花中的任一种或两种以上的组合。3.根据权利要求1或2所述的低能耗抗结霜方法，其特征在于所述纳米结构包括阵列分布于基底表面的纳米锥、纳米针、纳米花中的任一种或两种以上的组合。4.根据权利要求1所述的低能耗抗结霜方法，其特征在于用于在基底材料表面形成纳米结构的方法包括化学沉积法，电化学腐蚀法，化学腐蚀法，光刻法，静电纺丝法或相分离法。5.根据权利要求1所述的低能耗抗结霜方法，其特征在于所述低表面能物质包括氟硅焼、5圭氧烧、聚四氣乙稀、??圭烧偶联剂或闻级脂肪酸。6.根据权利要求1所述的低能耗抗结霜方法，其特征在于用以修饰低表面能物质的方法包括浸泡或蒸锻法。7.根据权利要求1所述的低能耗抗结霜方法，其特征在于所述基底的材质包括有机和/或无机材料。8.根据权利要求1所述的低能耗抗结霜方法，其特征在于所述微能耗辅助方法包括风吹或电热微加热方法。9.根据权利要求1或8所述的低能耗抗结霜方法，其特征在于所述微能耗辅助方法是连续或间歇性实施的。
【专利摘要】本发明公开了一种低能耗抗结霜方法，其特征在于包括：在基底表面形成纳米结构，并修饰低表面能物质，从而获得能够延迟霜晶形成和/或加速霜晶融化的微液滴自驱离表面，再结合微能耗辅助方法，在低能耗下实现无霜表面。本发明通过化学沉积法、电化学腐蚀法等在基底材料上制备各种纳米结构（如纳米锥、纳米针、纳米花、多尺度的纳米结构等）并修饰低表面能物质得到微液滴自驱离表面，这种表面在高湿度且壁面温度低于冰点的条件下能够有效延迟霜晶形成，其霜晶覆盖时间为光滑表面的几十倍；进一步结合微能耗辅助手段，可在低能耗下长时间内实现无霜表面。
【IPC分类】B82Y40/00, B81C1/00, B82Y30/00
【公开号】CN105016292
【申请号】CN201410167033
【发明人】高雪峰, 徐倩, 李娟 , 田 健, 朱杰
【申请人】中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2014年4月24日