CN103702928A - 加工极疏水性表面的方法及具有极疏水性表面的蒸发器 - Google Patents

加工极疏水性表面的方法及具有极疏水性表面的蒸发器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种加工表面强度优异的极疏水性表面的方法及具有通过该方法加工的疏水性表面的蒸发器。本发明的加工极疏水性表面的方法，包括以下步骤：准备金属基材；对金属基材进行阳极氧化，以在金属基材的表面上形成具有微米结构体和纳米纤维结构体的复合结构体的陶瓷层；以及在复合结构体的上面涂敷疏水性高分子物质，以形成具有与复合结构体相同的表面形状的高分子层。

Description

加工极疏水性表面的方法及具有极疏水性表面的蒸发器
技术领域
本发明涉及一种加工极疏水性表面的方法，更为详细地涉及一种加工表面强度优异的极疏水性表面的方法及具有通过该方法加工的疏水性表面的蒸发器。
背景技术
荷叶表面为在～10μm大小的微小突起表面上配置有数百纳米大小的纳米突起的结构，具有极疏水性和自净功能。已知有由表面能量低的物质复制出微米-纳米复合突起结构并通过多种方法加工极疏水性表面的方法。极疏水性表面具有接触角滞后性(前进角和后退角之间的差距)小的优点，因此可应用在各种工业领域。
在已知的加工极疏水性表面的方法中，有一种方法在薄片上通过微型机电系统(MEMS，micro-electromechanical system)加工极疏水性表面。但是，通过微型机电系统不能制造出面积比薄片大的极疏水性表面，而且有制造成本很高的缺点。
在为了克服这些缺点而提出的方法中，有一种方法①在金属基材的表面上施加冲击能量以形成微米槽，②对金属基材进行阳极氧化以在微米槽上形成纳米槽，③在金属基材的表面上涂敷高分子物质后进行分离，从而在金属基材的表面上复制出微米-纳米复合突起结构。该方法没有大小限制，而且复制的高分子物质又柔软，因此具有能够在多种三维物品上附着的优点。
然而，前述的方法在阳极氧化和复制高分子物质的工序中需要相当长的时间，而且只用高分子物质实现极疏水性表面，因此与金属表面相比表面强度弱。而且，在要实现极疏水性表面的物品的表面上需要附着复制的高分子物质，因此难以在复杂而立体的物品表面上适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种加工极疏水性表面的方法及具有通过该方法加工的极疏水性表面的蒸发器，该加工极疏水性表面的方法及具有通过该方法加工的极疏水性表面的蒸发器具有与金属表面类似的表面强度，同时能够缩短整个加工时间。
本发明的一实施例的加工极疏水性表面的方法，包括以下步骤：准备金属基材；对所述金属基材进行阳极氧化，以在金属基材的表面上形成具有微米结构体和纳米纤维结构体的复合结构体的陶瓷层；在复合结构体的上面涂敷疏水性高分子物质，以形成具有与复合结构体相同的表面形状的高分子层。
金属基材可包括选自铝、镍、钛、镁及锌中的至少一种金属。
可在阳极氧化的初始阶段中在陶瓷层上形成纳米孔，随着阳极氧化的进行，纳米孔扩张，并且导致纳米孔的壁面崩溃，从而在中心残留密度高的壁面，形成由纳米纤维结构体和山脊模样的所述微米结构体构成的复合结构体。
在阳极氧化中，电解液的温度可在0℃至40℃的范围内，对金属基材和对电极施加的电压可在20V至200V的范围内。对金属基材和对电极施加的时间可在5分钟至10分钟的范围。
所述高分子层可包括选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、全氟烷氧基(PFA)及(十七氟-1，1，2，2-四氢十二烷基)-三氯硅烷(HDFS，(HEPTADECAFLUORO-1，1，2，2-TETRAHYDRODECYL)-TRICHLOROSILANE)中的至少一种。
高分子层可涂敷成单分子层，具有
Figure BDA0000459406940000021
以上且5nm以下范围的厚度。
本发明的一实施例的蒸发器包括制冷剂管，该制冷剂管在内部流动有制冷剂，所述制冷剂在流动的过程中与在周围流动的空气进行热交换。制冷剂管构成金属基材，制冷剂管的外周面具有通过前述方法加工的极疏水性表面。
本发明的另一实施例的蒸发器，包括：彼此间隔开距离设置的上集箱及下集箱；多个制冷剂管，两端固定在上集箱及下集箱，并形成有制冷剂通道；以及多个热交换翅片，与制冷剂管接触并设置在制冷剂管之间，其表面与外部空气接触。热交换翅片构成金属基材，而且具有通过前述方法加工的极疏水性表面。
热交换翅片可以“之”字形弯曲形成波形结构。
本实施例的极疏水性表面能够实现与陶瓷相同的表面刚性，因此经得起外部冲击或者摩擦，从而具有高的耐久性，并且能够有效地缩短在加工中所需的时间。而且，在复杂而立体的物品表面上能够容易地形成极疏水性表面。
附图说明
图1为表示本发明的一实施例的加工极疏水性表面的方法的工艺流程图。
图2为示意地表示在图1中图示的各步骤下的剖面状态的图。
图3为表示在图1的第二步骤中采用的阳极氧化装置的示意图。
图4a为经过第二步骤的阳极氧化过程的陶瓷层表面的扫描电子显微镜照片。
图4b为图4a的局部放大照片。
图5a至图5d为表示根据阳极氧化时间所改变的陶瓷层表面的扫描电子显微镜照片。
图6为比较例的陶瓷层表面的扫描电子显微镜照片。
图7为表示根据阳极氧化时间所改变的极疏水性表面的接触角的图表。
图8为检测并显示根据时间的霜生成量的图表。
图9a表示在本实施例的极疏水性表面上的除霜过程的照片。
图9b为图9a的模式图。
图10为表示经过阳极氧化的普通铝、普通铝、由疏水性高分子涂敷的普通铝、由经过复制的疏水性高分子层单独构成的疏水性表面及本实施例的极疏水性表面的照片。
图11为本发明的一实施例的蒸发器的示意图。
图12为在图11中图示的蒸发器的剖视图。
图13为本发明的另一实施例的蒸发器的示意图。
图14为在图13中图示的蒸发器的局部放大图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施例，以使本发明所属技术领域中具有普通知识的人能够容易实施。但本发明并不局限于在此说明的实施例，可用多种形式实现本发明。
图1为表示本发明的一实施例的加工极疏水性表面方法的工艺流程图，图2为示意地表示在图1中图示的各步骤下的剖面状态的图。
参照图1和图2，本实施例的加工极疏水性表面100的方法包括准备金属基材11的第一步骤S10；对金属基材11进行阳极氧化，以在金属基材11的表面上形成具有微米结构体和纳米纤维结构体的复合结构体20的陶瓷层12的第二步骤S20；和在复合结构体20的上面涂敷疏水性高分子物质，以形成具有与复合结构体20相同的表面形状的高分子层13的第三步骤S30。
高分子层13在微米结构体之间及纳米纤维结构体之间含有空气，从而最大限度地减小与水之间的接触面积。因此高分子层13能够实现水滴无法渗透的极疏水性表面。此时，高分子层13不会与金属基材11分离而单独存在，而是位于经阳极氧化的陶瓷层12(金属氧化层)上，因此具有与陶瓷相当的表面刚性。
在此，微米级意味着属于1μm以上且小于1,000μm范围的大小，纳米级意味着属于1nm以上且小于1,000nm范围的大小。
在第一步骤S10中金属基材11为能够阳极氧化的金属，可包括铝、镍、钛、镁及锌等。金属基材11并不局限于特定的形状，包括需要实现极疏水性表面的所有金属物品。在图2中以平板形状的金属基材11为例来图示，但是金属基材11的形状不局限于图示的例。
图3为表示在图1的第二步骤中采用的阳极氧化装置的示意图。
参照图3，阳极氧化装置30包括供冷却水循环的循环式水槽31和按规定的速度搅拌水槽31内部的电解液的磁力搅拌机32。
第二步骤S20的阳极氧化工序由以下过程构成：以彼此间隔开距离的状态将金属基材11和对电极33浸渍在水槽31内部的电解液中，而且对金属基材11和对电极33分别施加阳极电源和阴极电源。在此，电解液可包括在乙二酸(C2H2O4)、磷酸(H3PO4)及硫酸(H2SO4)中的至少一种，对电极33可包括铝或白金。
此时，电解液的温度范围可为0℃至40℃，对金属基材11和对电极33施加的电压范围可为20V至200V的范围。此外，施加电压的时间可为5分钟至10分钟。当满足上述条件时，能够在金属基材11上的陶瓷层12(金属氧化层)表面上形成微米结构体和纳米纤维结构体的复合结构体20。
具体来讲，当电解液的温度、金属基材11和对电极33之间的电压差脱离前述的范围时，在陶瓷层12的表面上不能形成微米结构体和纳米纤维结构体的复合结构体。即，当不满足前述的条件时，在陶瓷层12的表面上不能形成微米结构体，也不能形成纳米纤维结构体。当施加电压的时间满足5分钟至10分钟的范围时，能够实现接触角为150°以上的极疏水性。
本实施例的阳极氧化工序由在陶瓷层12的表面上形成纳米孔后，将所述纳米孔扩张的过程构成。如此一来，纳米孔的壁面开始崩溃，在中心只留下密度高的壁面，因此最终完成由纳米纤维结构体和山脊模样的微米结构体构成的复合结构体20。
图4a为经过第二步骤的阳极氧化过程的陶瓷层表面的扫描电子显微镜照片，图4b为图4a的局部放大照片。
参照图4a和图4b，在陶瓷层12的表面上形成细长的纤维形状的纳米纤维结构体。纳米纤维结构体由残留的密度高的壁面形成，并且不是单独残留，而是在中心由密度高的壁面聚集残留的，因此能够同时形成山脊模样的微米结构体。
纳米纤维结构体可描述为线状或者棒状，统称为纵横比大的薄而长的形状。为了方便，在本实施例中将这种纳米结构体称为“纳米纤维结构体”。陶瓷层12具有亲水性，通过形成前述的复合结构体20具有极亲水性。
图5a至图5d为表示根据阳极氧化时间所改变的陶瓷层表面的扫描电子显微镜照片。在图5a至图5d中，上侧照片表示陶瓷层的表面照片，下侧照片表示陶瓷层的剖面照片。
参照图5a至图5d，在阳极氧化的初始阶段，金属基材11的表面被氧化而形成陶瓷层12，并且在陶瓷层12的表面上形成微小的纳米孔(图5a)。随着阳极氧化的进行，纳米孔的大小和深度逐渐扩张(图5b)，由于纳米孔的扩张，导致纳米孔周围的壁面开始崩溃，并且在中心只留下密度高的壁面(图5c及图5d)。
于是如图5d所示，在纳米孔周围残留的壁面形成纳米纤维结构体和微米结构体，从而完成陶瓷层12的复合结构体20。在图4a至图5d中，金属基材11由铝构成，陶瓷层12由氧化铝构成。
图6为在电解液的温度及金属基材和对电极之间的电压差不满足实施例条件的状态下制作的比较例的陶瓷层表面的扫描电子显微镜照片。从图6可知，在比较例的陶瓷层表面上形成有多个纳米孔，没有形成本实施例的微米结构体及纳米纤维结构体的复合结构体。
再次参照图2，在第三步骤S30中，在复合结构体20上涂敷具有疏水性的高分子物质。从而，在陶瓷层12的表面上形成具有与复合结构体20相同的表面形状的高分子层13。高分子层13可包括(十七氟-1，1，2，2-四氢十二烷基)-三氯硅烷(HDFS，(HEPTADECAFLUORO-1，1，2，2-TETRAHYDRODECYL)-TRICHLOROSILANE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)及全氟烷氧基(PFA)中的至少一种。
高分子层13的材料本身具有疏水性，而且在物质特性上与陶瓷层12的表面结合并以单分子形式被涂敷，从而显示与在陶瓷层12上形成的复合结构体20相同的图案。即，在高分子层13上也形成有对应于陶瓷层12的复合结构体20的纳米纤维结构体和微米结构体。高分子层13为单分子层，可具有
Figure BDA0000459406940000061
至5nm范围的厚度。
当为包含HDFS的高分子层13时，将HDFS和核酸以1：1000的比例混合，并将形成有陶瓷层12的金属基材11在所述混合溶液中浸渍10分钟以内后，进行核酸清洗和水清洗过程，即能在陶瓷层12的表面上涂敷HDFS高分子层13。
在高分子层13上形成的微米结构体具有相当于峰的部分和相当于谷的部分，相当于峰的部分起到实现极疏水性的微米突起的作用。而且在高分子层13上形成的各纳米纤维结构体起到实现极疏水性的纳米突起的作用。
这种高分子层13在微米结构体之间及纳米纤维结构体之间含有空气，从而最大限度地减小与水之间的接触面积，发挥接触角大于150°的极疏水性。
图7为表示根据阳极氧化时间所改变的极疏水性表面的接触角的图表。
从图7可知，从开始阳极氧化到5分钟内接触角显示出小于150°的值，大约超过5分钟时接触角显示出大于150°的值。另一方面，即使阳极氧化的时间超过10分钟，接触角没有大的变化，因此为了实现150°以上的极疏水性，阳极氧化时间优选为5分钟至10分钟。
根据本实施例完成的极疏水性表面100不是由高分子层单独存在，而是依然保留金属基材11和陶瓷层12，因此能够实现几乎与陶瓷层12相同的表面刚性。于是，极疏水性表面100即使在受到外部冲击或者摩擦等的情况下也能够保持原来的表面形状，因此能够确保高耐久性。
此外，在阳极氧化中所需的时间为10分钟以内，并且随着将高分子层13涂敷为单分子层，在涂敷中所需的时间也非常短，因此能够有效地缩短表面加工时间。尤其是，无需将高分子层13附着在物品的表面上，而是对由金属制造的物品本身进行表面处理而实现极疏水性表面100，因此在复杂而立体的物品表面上能够易于形成极疏水性表面100。
图8为检测并显示根据时间的霜生成量的图表。
在图8中A线表示普通铝的表面，B线表示由疏水性高分子涂敷的普通铝的表面，C线表示由疏水性高分子涂敷的本实施例的极疏水性表面。在图8中将普通铝表面(A线)的霜生成量假设为1，并以相对于A线的比较值来表示B线和C线的霜生成量。在实验中采用的温度条件为27℃常温。
从图8可知，本实施例的极疏水性表面与普通铝表面及涂敷有疏水性高分子的普通铝表面相比大幅延迟了霜的生成，在同样的时间条件下其表面上生成更少的霜。
图9a表示在本实施例的极疏水性表面上的除霜过程的照片，图9b为图9a的模式图。
参照图9a和图9b，在本实施例的极疏水性表面100中高分子层13具有与微米结构体和纳米纤维结构体的复合结构体相同的表面形状。并且能够确认，在这种极疏水性表面100上生成的霜构成单层形状，并从表面上剥落。
因此，本实施例的极疏水性表面100即使在上面形成霜也能够一次性去除该霜，因此能够实现迅速而彻底的除霜。
图10为表示经阳极氧化的普通铝、普通铝、涂敷有疏水性高分子的普通铝、由经复制的疏水性高分子层单独构成的疏水性表面以及本实施例的极疏水性表面的照片。(a)～(e1)为将所述表面垂直竖立而拍摄的照片，(e2)为将所述表面与地面平行摆放而拍摄的照片。
图10的(a)为经阳极氧化的普通铝的表面，(b)为普通铝的表面，(a)为在整个表面上覆盖有霜的状态，(b)表示在表面上凝结有水滴的状态。图10的(c)为涂敷有疏水性高分子的普通铝的表面，(d)为由经过复制疏水性高分子层单独构成的疏水性表面，具有微米-纳米复合突起结构。
能够确认到在图10的(b)、(c)、(d)中霜未被彻底除掉，而在表面上凝结成水滴而存在。
图10的(e1)和(e2)表示本实施例的极疏水性表面，能够确认到彻底除霜的状态。此外能够确认到，在除霜后在表面上滴落水滴时，水滴聚结成一起，保持原来的极疏水性。
如此，本实施例的极疏水性表面100由于水滴的凝结而延迟附着，并且所生成的霜表现出以单层形状一次性掉落的现象，因此能够实现快而彻底的除霜效果。
前述的极疏水性表面100能够有效地应用在各种热交换器尤其是吸收周边的热量而降低周边温度的蒸发器中。下面，参照图11至图14，对蒸发器的结构和极疏水性表面的应用位置进行说明。
图11为本发明的一实施例的蒸发器的示意图，图12为在图11中图示的蒸发器的剖视图。在图11中图示的管式蒸发器可应用在冰箱等中。
参照图11和图12，蒸发器200由在内部循环有制冷剂的制冷剂管40构成，所述制冷剂在循环过程中与在周围流动的空气进行热交换。制冷剂管40的入口可与膨胀阀(未图示)连接，制冷剂管40的出口可与压缩机(未图示)连接。通过制冷剂管40流入的液态制冷剂经过制冷剂管40的过程中气化为气态制冷剂，而且吸收周围空气中的热量以冷却周围空气。
制冷剂管40由能够进行阳极氧化的金属来制造，经过前述的阳极氧化的第二步骤S20和涂敷高分子的第三步骤S30，将外表面加工成极疏水性表面100。即，制冷剂管40的外周面构成为本实施例的极疏水性表面100。
这种制冷剂管40延迟在外表面上形成霜，而且一次形成的霜以单层形状一次性去除，因此能够发挥优异的除霜效果。制冷剂管40的配置结构不局限于图示的例，而能够以多种形式改变。而且，也可以采用在制冷剂管40外侧结合有板状翅片等多种构件的结构。
图13为本发明的另一实施例的蒸发器的示意图，图14为在图13中图示的蒸发器的局部放大图。在图13中图示的蒸发器可应用在汽车空调装置等。
参照图13和图14，蒸发器210包括彼此间隔开距离设置的上集箱51及下集箱52、两端固定在上集箱51和下集箱52并形成有制冷剂通道的多个制冷剂管53以及与制冷剂管53接触并位于制冷剂管53之间的多个热交换翅片54。
热交换翅片54与制冷剂管53进行热交换，并且与接触其表面的空气进行热交换。热交换翅片54形成为以“之”字形弯曲的波形结构，从而将与空气接触的面积最大化。因此热交换翅片54扩大制冷剂管53的导热面积，从而提高制冷剂和空气之间的热交换效率。
热交换翅片54由能够进行阳极氧化的金属来制作，经过前述的阳极氧化的第二步骤S20和涂敷高分子的第三步骤S30将整个表面加工成极疏水性表面100。即，热交换翅片54的整个表面构成为本实施例的极疏水性表面100。这种热交换翅片54延迟霜在表面的附着，而且发挥优异的除霜效果。
在前述的蒸发器200、210中，极疏水性表面100容易应用到如制冷剂管40及热交换翅片54等形状复杂的三维结构体中。这是因为极疏水性表面100并非如以往那样由经过复制的高分子层单独形成并附着在物品表面上的形式。
即在本实施例中，由于对需要极疏水性特性的物品(制冷剂管、热交换翅片等)本身进行阳极氧化，并在陶瓷层12的复合结构体20的上面涂敷疏水性高分子而制作极疏水性表面，因此在复杂的三维结构体上也能够容易地加工极疏水性表面100。
具备这种极疏水性表面100的蒸发器200、210的表面强度优异，因此耐久性高，而且能够在短时间内以经济的方法形成极疏水性表面100，并且除霜效果优异，能够提高热交换效率。
此外，在上述内容中以两种类型的蒸发器200、210举例说明了本实施例的极疏水性表面100的应用例，但是本实施例的极疏水性表面100除了前述的蒸发器200、210以外，在需要快速除霜效果的各种结构的热交换器中都能够应用。
以上说明了本发明的优选实施例，但本发明并不限于上述实施例，在权利要求书和说明书以及说明书附图所公开的范围内可用多种形式变形实施，当然这也应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种加工极疏水性表面的方法，包括以下步骤：
准备金属基材；
对所述金属基材进行阳极氧化，以在所述金属基材的表面上形成具有微米结构体和纳米纤维结构体的复合结构体的陶瓷层；以及
在所述复合结构体的上面涂敷疏水性高分子物质，以形成具有与所述复合结构体相同的表面形状的高分子层。
2.根据权利要求1所述的加工极疏水性表面的方法，其中，
所述金属基材包括选自铝、镍、钛、镁及锌中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的加工极疏水性表面的方法，其中，
在所述阳极氧化的初始阶段，在所述陶瓷层上形成纳米孔，
随着所述阳极氧化的进行，所述纳米孔的扩张，并且导致所述纳米孔的壁面崩溃，从而在中心残留密度高的壁面，以形成由所述纳米纤维结构体和山脊模样的所述微米结构体构成的所述复合结构体。
4.根据权利要求3所述的加工极疏水性表面的方法，其中，
在所述阳极氧化中，电解液的温度在0℃至40℃的范围内，对所述金属基材和对电极施加的电压在20V至200V的范围内。
5.根据权利要求4所述的加工极疏水性表面的方法，其中，
对所述金属基材和所述对电极施加的电压时间在5分钟至10分钟的范围内。
6.根据权利要求1所述的加工极疏水性表面的方法，其中，
所述高分子层包括选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、全氟烷氧基及(十七氟-1，1，2，2-四氢十二烷基)-三氯硅烷中的至少一种。
7.根据权利要求3所述的加工极疏水性表面的方法，其中，
所述高分子层涂敷为单分子层。
8.根据权利要求7所述的加工极疏水性表面的方法，其中，
所述高分子层具有
Figure FDA0000459406930000011
以上且5nm以下范围的厚度。
9.一种具有疏水性表面的蒸发器，包括：
制冷剂管，在内部流动有制冷剂，所述制冷剂在流动的过程中与在周围流动的空气进行热交换，
所述制冷剂管构成金属基材，
所述制冷剂管的外周面通过权利要求1至8中的任一项所述的方法得到加工。
10.一种具有疏水性表面的蒸发器，包括：
彼此间隔开距离设置的上集箱及下集箱；
多个制冷剂管，两端固定在所述上集箱及所述下集箱，并形成有制冷剂通道；以及
多个热交换翅片，与所述制冷剂管接触并设置在所述制冷剂管之间，其表面与外部空气接触，
所述热交换翅片构成金属基材，并且通过权利要求1至8中的任一项所述的方法得到加工。
11.根据权利要求10所述的具有疏水性表面的蒸发器，其中，
所述热交换翅片以“之”字形弯曲形成波形结构。
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