CN104630775A - 一种换热器铝箔翅片组超疏水表面的规模化制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种换热器铝箔翅片组超疏水表面规模化制备方法，所述方法包括下列步骤：前处理：将密排成组的换热器铝箔翅片组洗净吹干；刻蚀处理：以酸性或碱性水溶液为刻蚀液，将换热器铝箔翅片组，水浴条件下，置于刻蚀液中刻蚀，取出后清洗并吹干，所述的酸性或碱性水溶液中添加丙三醇或聚乙二醇为添加剂；弱碱性沸水处理：将刻蚀处理后的密排成组的换热器铝箔翅片置于弱碱性沸水中1～2h，随水冷却至室温后取出，用洗净并吹干；化学改性：将处理好的铝箔翅片组置于玻璃槽中，采用氟硅烷气相沉积法改性，获得超疏水铝箔翅片组。本发明制备工艺简单、无污染、基底损伤小、表观质量佳，适用于各种尺寸的换热器铝箔翅片，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种换热器铝箔翅片组超疏水表面的规模化制备方法。
背景技术
作为空调、制冷设备、空气源热泵等热量传递和交换的关键部件，换热器/蒸发器铝箔翅片表面亲水处理和间断加热除霜虽可解决冷凝水桥、腐蚀等问题，但亲水涂层和表面结露水膜的存在均降低了铝箔的换热系数，水膜蒸发也不利于室内湿度的控制，且冷凝水带走大量能量，造成能源浪费；采用的间断加热融霜不仅增加能耗，影响室内温度，化霜水难以及时脱附，易再次结霜，严重影响空调的换热效率和可靠性，结霜严重时甚至发生系统停机现象，还易使铝箔吸附灰尘、发霉等，增加室内病菌、微生物含量和PM2.5颗粒值，危害人体健康，甚至引发各种疾病。近些年的研究显示，超疏水表面具有憎水、自洁、耐蚀、减阻等特性，且在延迟、抑制露霜冰的形成和生长有一定作用。然而，同行和本课题组的研究结果均表明，普通超疏水表面研究仅在常温、干燥条件下适用，冷凝、结霜条件下，超疏水表面并不能避免结露、结霜现象。近几年，具有适宜微纳结构的超疏水表面形成的冷凝液滴合并后能够自发弹跳，发生迁移或脱落。不但如此，这种超疏水表面化霜融冰时，由于表面接触霜冰层最先融化，立刻形成一层类似于“润滑油”的液膜，使得霜冰层未完全融化时，即整层滑落/剥落。无论是除霜融冰时间、还是残留水，都显著少于其它表面。但是，现有研究仍存在如下难点和问题：第一，大面积制备难；第二，规模化制备难；第三，工艺复杂。
大面积制备难，是因为现有的超疏水表面制备技术多应用于块体材料表面。制备超疏水表面面积小。如空调换热器铝箔翅片这样厚度薄、面积大的片体材料的超疏水表面制备方法仍不多见。此外，由于规模化制备难，现有的研究多局限于单块材料的超疏水表面制备的研究。同时，也鲜有大数量地在金属铝箔材料表面制备超疏水表面的工艺方法。目前，一些现有的在金属材料表面制备超疏水表面的方法，多需要在金属表面先进行机械加工，用物理方法制备出微米级粗糙结构，再用化学方法进行纳米级粗糙结构的构建，工艺复杂，难以进行规模化地应用。
发明内容
本发明提供一种能够形成密排堆积的纳米片状、棒状结构、对铝箔的损伤小且表面粗糙度小的规模化制备具有超疏水表面的换热器铝箔翅片的处理方法。
本发明采用如下技术方案：一种换热器铝箔翅片组超疏水表面规模化制备方法，所述方法包括下列步骤：
(1)前处理：将密排成组的换热器铝箔翅片组经丙酮、去离子水超声清洗，吹干后浸入碱液中，室温条件下处理后依次用乙醇、去离子水清洗，吹干后备用；
(2)刻蚀处理：以酸性或碱性水溶液为刻蚀液，将换热器铝箔翅片组，在40～60℃水浴条件下，置于刻蚀液中，刻蚀时间为60～150s，取出后用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的酸性或碱性水溶液中添加丙三醇或聚乙二醇为添加剂；
(3)弱碱性沸水处理：将刻蚀处理后的密排成组的换热器铝箔翅片置于弱碱性沸水中1～2h，随水冷却至室温后取出，用去离子水清洗并吹干；
(4)化学改性：将处理好的铝箔翅片组置于玻璃槽中，并在其侧玻璃皿中滴加少量氟硅烷采用气相沉积法实现氟硅烷的修饰，密封后置于150℃烘箱中反应一段时间后即完成化学改性，获得超疏水铝箔翅片组。
所述换热器铝箔翅片中铝元素含量为99.0wt％以上，翅片数量在10片以上，或是进行了穿管胀管后的翅片组。
步骤(2)中所述的酸性或碱性水溶液中酸或碱的浓度为1～2mol/L。
步骤(2)中所述的酸性或碱性水溶液中丙三醇或聚乙二醇的浓度为5～30g/L。
步骤(2)中所述的酸性水溶液为盐酸或硝酸水溶液。
步骤(2)中所述的碱性水溶液为氨水或氢氧化钠水溶液。
步骤(2)中所述的氟硅烷为三甲氧基全氟硅烷、三乙氧基全氟硅烷、氯基或三氯基全氟硅烷中任意种。
步骤(3)中所述的弱碱性沸水为通过在去离子水中滴加氢氧化钠、氨水或氢氧化钾溶液得到，pH值控制在8～10。
步骤(4)中，烘箱中反应时间为2h。
步骤(4)中氟硅烷的量为0.5～1ml。
有益效果：
(1)在刻蚀过程中，在刻蚀液中加入丙三醇或聚乙二醇，缓释酸液刻蚀过程。通过在刻蚀液中加入丙三醇或聚乙二醇，防止在刻蚀过程中换热器铝箔翅片表面生成的过深的微米级坑洞，减小刻蚀过程对铝箔的损伤，制得密排成组的换热器铝箔翅片外表整洁美观。
(2)对换热器铝箔翅片进行沸水处理时，保持沸水的PH值在8～10，控制表面纳米级粗糙结构生长的过程。使换热器铝箔翅片沸水处理的环境处于弱碱性，有助于铝箔翅片表面的偏铝酸盐陈化，生成Al(OH)3的粗糙结构。陈化的反应式为
Al(OH)4 －→Al(OH)3(s)+OH－
并且，通过100℃的沸水保温处理加速了上述陈化反应速率，在铝箔翅片表面快速、可控地制备出所需的片状、棒状堆积的纳米粗糙结构，如图1所示。
(3)本方法制备得到的具有超疏水表面的换热器铝箔翅片，性能均匀，适合于规模化的工业生产。相比于其他现有方法，通过化学法制备超疏水的换热器铝箔翅片，工艺简单，性能均一，并能适应于现有各种翅片换热器翅片的规模化超疏水表面制备。
(4)制备的密排成组的换热器铝箔翅片表面超疏水性能优异、均匀。表面静态水滴接触角大于155°，如图2所示，且对水滴的黏附性很弱，水滴易弹跳脱落。
(5)酸性或碱性水溶液刻蚀不但可进一步去除氧化膜，活化表面，加热条件下，还可以在铝箔基底上快速形成微米级凹坑结构，避免常温刻蚀造成的铝箔过度损伤，并有助于提高纳米结构的稳定性，如图6所示。碱性沸水处理则有利于纳米结构的纵向生长，阵列排布的纳米片状结构使获得的超疏水表面的冷凝露滴自发弹跳，有效提高了表面的抗结露、抗结霜效果。
(6)与未经处理的铝箔翅片相比，本方法制备的具有超疏水表面的换热器铝箔翅片具有良好的抑霜、抗露的效果，结霜量小、霜晶矮小、霜层生长疏松，如图3、图4、图5所示，凝露液滴成球状、易滚落。本发明规模化制备具有超疏水表面的换热器铝箔翅片制备工艺简单、无污染、基底损伤小、表观质量佳，适用于各种尺寸的换热器铝箔翅片制备，适合推广应用。
附图说明：
图1为实施例1中换热器铝箔翅片超疏水表面的扫描电镜图；
图2为采用实施例1工艺处理后的换热器铝箔翅片表面水滴形态；
图3为实施例1制备的超疏水铝箔表面(右侧)和未经处理表面(左侧)的抗结霜测试体式显微图片(室温10℃，表面温度-15℃，结霜60min后)；
图4为实施例1制备的超疏水铝箔表面(右侧)和未经处理表面(左侧)的融霜测试体式显微图片(室温10℃，经过表面温度-15℃，结霜60min后，表面温度50℃融霜，时间4s)；
图5为实施例1制备的超疏水铝箔表面(右侧)和未经处理表面(左侧)的融霜测试体式显微图片(室温10℃，经过表面温度-15℃，结霜60min后，表面温度50℃融霜，时间8s)。
图6为采用实施例1工艺处理中，经过酸液刻蚀后，铝箔翅片表面的扫描电镜图。
具体实施方式
一种具有超疏水表面的换热器铝箔翅片组规模化制备的处理方法，其特征在于所述方法包括下列步骤：
(1)前处理：将换热器铝箔翅片组经丙酮、去离子水超声清洗，吹干后浸入1mol/L的氢氧化钠水溶液中，室温条件下处理30～60s，然后依次用乙醇、去离子水清洗，吹干后备用；所述换热器铝箔翅片铝元素含量为99.0wt％以上，翅片数量在10片以上；
(2)刻蚀处理：以酸性或碱性的混合水溶液为刻蚀液，将密排成组的经过前处理过的洁净的换热器铝箔翅片，在40～60℃水浴条件下置于刻蚀液中，刻蚀时间为60～150s，刻蚀结束后，取出铝箔，用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的酸性混合水溶液可为盐酸或硝酸的水溶液，其中添加丙三醇或聚乙二醇为添加剂，所述碱性混合水溶液可为氨水、氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液，添加丙三醇或聚乙二醇为添加剂，酸性或碱性混合水溶液可以用以下方法制备：将盐酸、硝酸或氨水、氢氧化钠加入去离子水中，再将丙三醇或聚乙二醇加入，磁力搅拌混合均匀后即可得到所需的混合水溶液，其中酸或碱的浓度为1～2mol/L，丙三醇或聚乙二醇的浓度为5～30g/L；
(3)弱碱性沸水处理：将刻蚀处理后的密排成组的换热器铝箔翅片置于弱碱性沸水中1～2h，随水冷却至室温后取出，用去离子水清洗并吹干；所述弱碱性水为通过在去离子水中滴加氨水、氢氧化钠或氢氧化钾溶液得到，PH值控制在8～10。
(4)化学改性：将经过酸液刻蚀和碱性沸水处理的铝箔翅片组置于玻璃槽中，并在其侧方玻璃皿中滴加0.5mL氟硅烷，密封后置于150℃烘箱中，2h后即可完成化学改性，获得超疏水铝箔翅片组，所述氟硅烷可以是三甲氧基全氟硅烷、三乙氧基全氟硅烷或三氯基全氟硅烷等。
实施例1
(1)前处理：将换热器铝箔翅片组经丙酮、去离子水超声清洗，吹干后浸入1mol/L的氢氧化钠水溶液中，室温条件下处理30s，然后依次用乙醇、去离子水清洗，吹干后备用；所述换热器铝箔翅片铝元素含量为99.0wt％以上，翅片数量在10片以上；
(2)刻蚀处理：以盐酸和丙三醇的混合水溶液为刻蚀液，将密排成组的换热器铝箔翅片，在40℃水浴条件下置于刻蚀液中，刻蚀时间为120s，刻蚀结束后，取出铝箔，用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的盐酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制：将盐酸分析纯和丙三醇先后加入去离子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中盐酸的浓度为1mol/L，丙三醇的浓度为5g/L；
(3)弱碱性沸水处理：将刻蚀处理后的密排成组的换热器铝箔翅片置于弱碱性沸水中1h，随水冷却至室温后取出，用去离子水清洗并吹干；所述弱碱性水为通过在去离子水中滴加氢氧化钠溶液得到，PH值控制在8。
(4)化学改性：将经过酸液刻蚀和碱性沸水处理的铝箔翅片组置于玻璃槽中，并在其侧方玻璃皿中滴加0.5mL十七氟癸基三甲氧基硅烷，密封后置于150℃烘箱中，2h后即可完成化学改性，获得超疏水铝箔翅片组。
通过上述方法规模化制备具有超疏水表面的换热器铝箔翅片的表面微观形貌如图1所示，表面被密排堆积的纳米片所覆盖，纳米片的直径为100～900nm，纳米片的厚度在50～150nm。图2显示水滴在翅片的超疏水表面的形态，经标定，接触角为155°，呈现超疏水性。通过结霜特性试验(图3)，在环境温度10℃、冷表面温度-15℃条件下，经过60min结霜后，具有超疏水表面的翅片上结霜(右侧)结霜量小、霜晶矮小、霜层结构疏松，有明显的抑霜作用，具有未经过处理的铝箔翅片上则结霜情况严重(左侧)。经过上述结霜特性实验后，再进行融霜特性实验(图4、图5)，在表面温度50℃条件下融霜，融霜4s后(图4)，超疏水表面的霜层已融化倒伏(右侧)，而未经处理的铝箔表面仍有大量霜晶存在(左侧)。当融霜实验进行到8s时(图5)，超疏水翅片表面霜层已经全部融化，且融霜水全部滑落(右侧)，而未经处理的铝箔表面的霜层仍未完全融化(左侧)。
实施例2
(1)前处理：将换热器铝箔翅片组经丙酮、去离子水超声清洗，吹干后浸入1mol/L的氢氧化钠水溶液中，室温条件下处理60s，然后依次用乙醇、去离子水清洗，吹干后备用；所述换热器铝箔翅片铝元素含量为99.0wt％以上，翅片数量30片；
(2)刻蚀处理：以氢氧化钠和丙三醇的混合水溶液为刻蚀液，将密排成组的换热器铝箔翅片，在60℃水浴条件下置于刻蚀液中，刻蚀时间为80s，刻蚀结束后，取出铝箔，用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的氢氧化钠和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制：将氢氧化钠分析纯和丙三醇先后加入去离子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中盐酸的浓度为1mol/L，丙三醇的浓度为15g/L；
(3)弱碱性沸水处理：将刻蚀处理后的密排成组的换热器铝箔翅片置于弱碱性沸水中2h，随水冷却至室温后取出，用去离子水清洗并吹干；所述弱碱性水为通过在去离子水中滴加氢氧化钠溶液得到，pH值控制在8。
(4)化学改性：将经过碱液刻蚀和碱性沸水处理的铝箔翅片组置于玻璃槽中，并在其侧方玻璃皿中滴加0.5mL十七氟癸基三甲氧基硅烷，密封后置于150℃烘箱中，2h后即可完成化学改性，获得超疏水铝箔翅片组。换热器铝箔翅片组的各片翅片均具有良好的超疏水性，每片翅片各处测量得到的接触角均在157°以上，黏附性很小，抗露、抑霜性能优异。
实施例3
(1)前处理：将换热器铝箔翅片组经丙酮、去离子水超声清洗，吹干后浸入1mol/L的氢氧化钠水溶液中，室温条件下处理60s，然后依次用乙醇、去离子水清洗，吹干后备用；所述换热器铝箔翅片铝元素含量为99.0wt％以上，翅片数量50片；
(2)刻蚀处理：以盐酸和丙三醇的混合水溶液为刻蚀液，将密排成组的换热器铝箔翅片，在60℃水浴条件下置于刻蚀液中，刻蚀时间为90s，刻蚀结束后，取出铝箔，用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的盐酸和丙三醇的混合水溶液采用以下方法配制：将盐酸分析纯和丙三醇先后加入去离子水中，得到磷酸和丙三醇的混合水溶液，其中盐酸的浓度为2mol/L，丙三醇的浓度为30g/L；
(3)弱碱性沸水处理：将刻蚀处理后的密排成组的换热器铝箔翅片置于弱碱性沸水中2h，随水冷却至室温后取出，用去离子水清洗并吹干；所述弱碱性水为通过在去离子水中滴加NaOH溶液得到，pH值控制在10。
(4)化学改性：将经过酸液刻蚀和碱性沸水处理的铝箔翅片组置于玻璃槽中，并在其侧方玻璃皿中滴加0.5mL十七氟癸基三甲氧基硅烷，密封后置于150℃烘箱中，2h后即可完成化学改性，获得超疏水铝箔翅片组。换热器铝箔翅片组的各片翅片均具有良好的超疏水性，每片翅片各处测量得到的接触角均在158°左右，黏附性很小，抗露、抑霜性能优异。
Claims (10)
1.一种换热器铝箔翅片组超疏水表面规模化制备方法，其特征在于所述方法包括下列步骤：
（1）前处理：将密排成组的换热器铝箔翅片组经丙酮、去离子水超声清洗，吹干后浸入碱液中，室温条件下处理后依次用乙醇、去离子水清洗，吹干后备用；
（2）刻蚀处理：以酸性或碱性水溶液为刻蚀液，将换热器铝箔翅片组，在40~60℃水浴条件下，置于刻蚀液中，刻蚀时间为60~150s，取出后用乙醇、去离子水清洗并吹干，所述的酸性或碱性水溶液中添加丙三醇或聚乙二醇为添加剂；
（3）弱碱性沸水处理：将刻蚀处理后的密排成组的换热器铝箔翅片置于弱碱性沸水中1~2h，随水冷却至室温后取出，用去离子水清洗并吹干；
（4）化学改性：将处理好的铝箔翅片组置于玻璃槽中，并在其侧玻璃皿中滴加少量氟硅烷采用气相沉积法实现氟硅烷的修饰，密封后置于150℃烘箱中反应一段时间后即完成化学改性，获得超疏水铝箔翅片组。
2.如权利要求1所述的换热器铝箔翅片超疏水表面规模化制备方法，其特征在于，所述换热器铝箔翅片中铝元素含量为99.0wt%以上，翅片数量在10片以上，或是进行了穿管胀管后的翅片组。
3.如权利要求1所述的换热器铝箔翅片超疏水表面规模化制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的酸性或碱性水溶液中酸或碱的浓度为1~2mol/L。
4.如权利要求1所述的换热器铝箔翅片超疏水表面规模化制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的酸性或碱性水溶液中丙三醇或聚乙二醇的浓度为5~30g/L。
5.如权利要求1所述的换热器铝箔翅片超疏水表面规模化制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的酸性水溶液为盐酸或硝酸水溶液。
6.如权利要求1所述的换热器铝箔翅片超疏水表面规模化制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的碱性水溶液为氨水或氢氧化钠水溶液。
7.如权利要求1所述的换热器铝箔翅片超疏水表面规模化制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的氟硅烷为三甲氧基全氟硅烷、三乙氧基全氟硅烷、氯基或三氯基全氟硅烷中任意种。
8.如权利要求1所述的换热器铝箔翅片超疏水表面规模化制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的弱碱性沸水为通过在去离子水中滴加氢氧化钠、氨水或氢氧化钾溶液得到，pH值控制在8~10。
9.如权利要求1所述的换热器铝箔翅片超疏水表面规模化制备方法，其特征在于，步骤（4）中，烘箱中反应时间为2h。
10.如权利要求1所述的换热器铝箔翅片超疏水表面规模化制备方法，其特征在于，步骤（4）中氟硅烷的量为0.5~1ml。
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