CN108486627B - 一种抗结霜的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种抗结霜的表面处理方法，包括以下步骤：a)以草酸的水溶液为电解液，将待处理工件在0.1～0.4A/cm2的电流密度下进行阳极氧化处理；b)对阳极氧化处理后的工件进行表面修饰处理，得到抗结霜工件；所述表面修饰处理采用的修饰剂为月桂酸、氟硅烷、硅氧烷、硅烷偶联剂和高级脂肪酸中的一种或几种。本发明先对工件进行阳极氧化处理，使工件表面形成特殊的微纳结构，再对工件进行表面修饰来进一步修饰微纳结构、调节工件表面的自由能，使工件表面形成特殊表面，从而使工件具有优异的抑霜效果，抗结霜性能持久有效。

Description

一种抗结霜的表面处理方法
技术领域
本发明涉及表面处理技术领域，特别涉及一种抗结霜的表面处理方法。
背景技术
结霜是日常生活中随处可见的一种自然现象，当物体表面的温度低于空气中水蒸气的露点温度时，水蒸气就会在物体表面发生凝露，当物体表面温度进一步降低时，凝露会发生相变冰冻，当物体表面温度持续降低时，冻结的冰粒上会结霜，进而形成霜层。在空调等电器领域会经常发生结霜现象，例如空调制热时，室内机蒸发器散热不足会造成蒸发器局部温度过低，导致结霜；空调制冷时，室外机需要吸收热量，蒸发器本体温度会降到0℃以下，容易导致结霜。蒸发器等工件的结霜会导致系统运行性能降低，热交换效果变差，从而降低空调的制热制冷效果，造成能源浪费。
为降低结霜造成的不良影响，现有技术中通常采取的方式是，在换热器表面涂覆亲水涂层，使用水溶性高聚物或亲水性无机盐作为亲水物质，采用辊涂铝箔或浸渍法将亲水物质涂覆在换热器的铝翅片表面。然而，这种方法抗结霜性较差，仅对结霜初期有一定效果，机器长时间运行还是会产生结霜，结霜后仍需化霜处理，不能有效解决结霜问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种抗结霜的表面处理方法，采用本发明提供的处理方法对易结霜工件进行表面处理，能够有效延迟霜晶的形成，达到优异的抗结霜效果。
本发明提供了一种抗结霜的表面处理方法，包括以下步骤：
a)以草酸的水溶液为电解液，将待处理工件在0.1～0.4A/cm2的电流密度下进行阳极氧化处理；
b)对阳极氧化处理后的工件进行表面修饰处理，得到抗结霜工件；
所述表面修饰处理采用的修饰剂为月桂酸、氟硅烷、硅氧烷、硅烷偶联剂和高级脂肪酸中的一种或几种。
优选的，所述草酸的水溶液的浓度为0.3～0.5mol/L。
优选的，所述阳极氧化处理的温度为0～5℃。
优选的，所述表面修饰处理包括：
将阳极氧化处理后的工件置于修饰剂溶液中浸泡处理；
所述修饰剂溶液的质量分数为1％～5％；
所述修饰剂溶液中的溶剂为醇类溶剂。
优选的，所述阳极氧化处理的时间为10～15min；
所述表面修饰处理的时间为20～50min。
优选的，在所述步骤a)之前还包括：对待处理工件依次进行表面清洗和电化学抛光。
优选的，所述电化学抛光采用的抛光液为体积比为(5～12)：1的无水乙醇与高氯酸的混合液。
优选的，所述电化学抛光的电压为15～25V，电流密度为0.1～0.4A/cm2。
优选的，所述表面清洗包括洗涤剂洗涤和腐蚀液腐蚀；
所述洗涤剂为有机溶剂；
所述腐蚀液包括氢氧化钠溶液、盐酸、氢氟酸或磷酸液。
优选的，所述腐蚀液的浓度为0.5～3mol/L
本发明提供了一种抗结霜的表面处理方法，先对工件进行阳极氧化处理，使工件表面形成特殊的微纳结构，再对工件进行表面修饰来进一步修饰微纳结构、调节工件表面的自由能，使工件表面形成特殊表面，从而使工件具有优异的抑霜效果，抗结霜性能持久有效。同时，本发明提供的方法简单便捷，能够快速方便的获得抗结霜表面。
试验结果表明，通过本发明的表面处理方法处理后的工件，在高湿且-13℃环境下能够有效延迟霜晶形成，霜晶开始出现的时间是普通工件的十几倍，即提高抗结霜的持久性达十几倍之多。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为实施例5所得铝翅片表面的扫描电镜图；
图2为实施例5所得铝翅片的表面接触角测试图；
图3为实施例5中普通铝翅片和处理后铝翅片的结霜过程对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种抗结霜的表面处理方法，包括以下步骤：
a)以草酸的水溶液为电解液，将待处理工件在0.1～0.4A/cm2的电流密度下进行阳极氧化处理；
b)对阳极氧化处理后的工件进行表面修饰处理，得到抗结霜工件；
所述表面修饰处理采用的修饰剂为月桂酸、氟硅烷、硅氧烷、硅烷偶联剂和高级脂肪酸中的一种或几种。
本发明提供的制备方法先对工件进行阳极氧化处理，使工件表面形成特殊的微纳结构，再对工件进行表面修饰来进一步修饰微纳结构、调节工件表面的自由能，使工件表面形成特殊表面，一方面，使工件表面具有高接触角、极低的粘附力，使溶液容易从疏水表面脱落，另一方面，即使留液滴存在工件表面，其冻结需要的时间能够大大延迟，从而使工件具有优异的抑霜效果，抗结霜性能持久有效。
本发明中，在进行上述步骤a)之前，优选先对待处理工件依次进行表面清洗和电化学抛光。
本发明中，所述表面清洗优选包括洗涤剂洗涤和腐蚀液腐蚀。
所述洗涤剂优选为有机溶剂。本发明对所述有机溶剂的种类没有特殊限制，优选为醇类、酮类、醚类和苯类有机溶剂；在一些实施例中，具体为乙醇、丙酮、乙醚或苯等。采用洗涤剂对工件洗涤，能够去除工件表面的油脂污渍。本发明对所述洗涤的方式没有特殊限制，优选为超声清洗。
洗涤完毕后，进行腐蚀液腐蚀。所述腐蚀液优选包括氢氧化钠溶液、盐酸、氢氟酸或磷酸液。本发明中，所述腐蚀液的浓度优选为0.3～5mol/L。本发明中，所述腐蚀液腐蚀的时间优选为3～8min，采用腐蚀液腐蚀能够去除工件表面的自然氧化膜，从而获得干净工件。
在进行完表面清洗获得干净工件后，对工件进行电化学抛光。本发明中，所述电化学抛光采用的抛光液优选为体积比为(5～12)：1的无水乙醇与高氯酸的混合液。所述电化学抛光的电压优选为15～25V；所述电化学抛光的电流密度优选为0.1～0.4A/cm2；所述电化学抛光的处理时间优选为1～2min；所述电化学抛光的温度没有特殊限制，室温即可。所述电化学抛光中，以待处理工件为阳极，阴极采用电化学领域常规阴极材料即可，如石墨板或铂板。
按照本发明，对工件进行完上述前序处理后，先以草酸的水溶液为电解液，将待处理工件在0.1～0.4A/cm2的电流密度下进行阳极氧化处理。
本发明中，以草酸的水溶液为电解液进行阳极氧化处理，采用草酸的水溶液为电解液，可使工件表面形成特殊的能够持久有效抑霜的微纳结构。
本发明中，所述草酸的水溶液的浓度优选为0.3～0.5mol/L，若浓度高于0.5mol/L，易导致工件表面击穿，若浓度低于0.3mol/L，则难以形成特定的孔状微纳结构。
本发明中，所述阳极氧化处理的电流密度为0.1～0.4A/cm2，若电流密度高于0.4A/cm2，易导致工件表面击穿，若电流密度低于0.1A/cm2，则无法形成特定孔状微纳结构。本发明对所述阳极氧化的电压没有要求，采用电流控制法，控制在上述电流密度范围内即可。所述电流密度优选为0.3～0.4A/cm2，在0.3～0.4A/cm2下，能够进一步明显提升工件的抗结霜效果。
本发明中，所述阳极氧化处理的温度优选为0～5℃，若温度高于5℃，易导致工件表面击穿，若温度低于0℃，则难以获得特定的孔状微纳结构。
本发明中，所述阳极氧化处理的时间优选为10～15min。
本发明中，所述阳极氧化处理过程中，以待处理工件为阳极，阴极优选为石墨板或铂板。
按照本发明，在进行完阳极氧化处理后，对工件进行表面修饰处理，得到抗结霜工件。
本发明中，所述表面修饰处理优选包括：将阳极氧化处理后的工件置于修饰剂溶液中浸泡处理。
本发明中，所述修饰剂溶液中的修饰剂为月桂酸、氟硅烷、硅氧烷、硅烷偶联剂和高级脂肪酸(即C6～C26的一元直链羧酸)中的一种或几种，采用所述修饰剂能够调节工件的表面能，与微纳结构协同作用，改善抑霜效果。所述修饰剂溶液中的溶剂优选为醇类溶剂，更优选为无水乙醇、乙二醇和甘油中的一种或几种。本发明中，所述修饰剂溶液的质量分数优选为1％～5％。
本发明中，所述浸泡处理的时间优选为20～50min。本发明通过修饰处理，调节已形成微纳结构的工件的表面能，经修饰剂修饰处理后，修饰剂嵌入微纳结构中，与微纳结构协同作用，能够持久有效的延迟霜晶形成，达到抗结霜效果。
本发明中，在所述表面修饰处理后，优选还进行干燥。所述干燥的温度和时间没有特殊限制，能够将制品干化即可。
本发明的处理方法可应用于室内空调、冷藏陈列窗、整装空调、油冷器、散热器等产品。本发明中，所述待处理工件优选为铝基表面工件；在一些实施例中，所述待处理工件为铝翅片，即空调等电器中的换热器组件。
本发明提供了一种抗结霜的表面处理方法，先对工件进行阳极氧化处理，使工件表面形成特殊的微纳结构，再对工件进行表面修饰来进一步修饰微纳结构、调节工件表面的自由能，使工件表面形成特殊表面，从而使工件具有优异的抑霜效果，抗结霜性能持久有效。同时，本发明提供的方法简单便捷，能够快速方便的获得抗结霜表面。试验结果表明，通过本发明的表面处理方法处理后的工件，在高湿且-13℃环境下能够有效延迟霜晶形成，霜晶开始出现的时间是普通工件的十几倍之多。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
1.1样品处理
用丙酮超声清洗铝翅片表面油脂污渍后，用1mol/L的NaOH溶液腐蚀5min，去除自然氧化膜；将清洗干净的铝翅片放入体积比为9:1的无水乙醇与高氯酸组成的抛光液中，在电压20V，电流0.3A/cm2，室温下电化学抛光1～2min；将抛光后的铝翅片放入0.3mol/L的草酸溶液中进行阳极氧化，处理温度为0℃，电流密度为0.10A/cm2，处理时间为15min；将处理后的铝翅片浸入质量分数为1％的月桂酸无水乙醇溶液中，30min后取出，放入温度为120℃的干燥机中烘干30min，得到抗结霜铝翅片。
1.2表征和测试
采用扫描电镜观察所得铝翅片的表面结构，结果显示，铝翅片表面形成松散纳米孔状结构，平均孔径为11nm，相邻孔间距平均为100nm；可见，经上述处理后，铝翅片表面形成具有松散纳米孔的微纳结构。
采用德国dataphysics公司提供的视频光学接触角测量仪(OCA15Pro)测量所得铝翅片表面的接触角，结果显示，其静态接触角为126°，表现出疏水性能。
将经上述处理所得铝翅片和未经上述处理的普通铝翅片置于温度为-13℃，湿度为70％的环境下，检测铝翅片的结霜性能。结果显示，在30min时，普通铝翅片表面已完全结霜，而经处理后的铝翅片未见结霜，直至360min(即6小时)后，才开始出现结霜，晚于普通铝翅片12倍。由此证明，经本发明的表面处理方法处理后，能够大大提高工件的抑霜效果，有效延迟结霜现象，提高抗结霜的持久性。
实施例2
1.1样品处理
用丙酮超声清洗铝翅片表面油脂污渍后，用1mol/L的NaOH溶液腐蚀5min，去除自然氧化膜；将清洗干净的铝翅片放入体积比为9:1的无水乙醇与高氯酸组成的抛光液中，在电压15V，电流0.1A/cm2，室温下电化学抛光1～2min；将抛光后的铝翅片放入0.5mol/L的草酸溶液中进行阳极氧化，处理温度为5℃，电流密度为0.20A/cm2，处理时间为10min；将处理后的铝翅片浸入质量分数为1％的月桂酸无水乙醇溶液中，30min后取出，放入温度为120℃的干燥机中烘干30min，得到抗结霜铝翅片。
1.2表征和测试
按照实施例1的表征方法观察所得铝翅片的表面结构，结果显示，铝翅片表面形成密集纳米孔状结构，平均孔径为68nm，相邻孔间距平均为100nm；可见，经上述处理后，铝翅片表面形成具有密集纳米孔的微纳结构。
按照实施例1的测量方法测量所得铝翅片表面的接触角，结果显示，其静态接触角为138°，表现出疏水性能。
按照实施例1的测试方法测试所得铝翅片的结霜性能，结果显示，在30min时，铝翅片还未见结霜，直至390min后，才开始出现结霜，晚于普通铝翅片13倍。
实施例3
1.1样品处理
用丙酮超声清洗铝翅片表面油脂污渍后，用1mol/L的NaOH溶液腐蚀5min，去除自然氧化膜；将清洗干净的铝翅片放入体积比为9:1的无水乙醇与高氯酸组成的抛光液中，在电压15V，电流0.4A/cm2，室温下电化学抛光1～2min；将抛光后的铝翅片放入0.5mol/L的草酸溶液中进行阳极氧化，处理温度为0℃，电流密度为0.25A/cm2，处理时间为10min；将处理后的铝翅片浸入质量分数为1％的月桂酸无水乙醇溶液中，30min后取出，放入温度为120℃的干燥机中烘干30min，得到抗结霜铝翅片。
1.2表征和测试
按照实施例1的表征方法观察所得铝翅片的表面结构，结果显示，铝翅片表面形成密集纳米孔状结构，平均孔径为95nm，相邻孔间距平均为100nm；可见，经上述处理后，铝翅片表面形成具有密集纳米孔的微纳结构。
按照实施例1的测量方法测量所得铝翅片表面的接触角，结果显示，其静态接触角为148°，表现出疏水性能。
按照实施例1的测试方法测试所得铝翅片的结霜性能，结果显示，在30min时，铝翅片还未见结霜，直至420min后，才开始出现结霜，晚于普通铝翅片14倍。
实施例4
1.1样品处理
用丙酮超声清洗铝翅片表面油脂污渍后，用1mol/L的NaOH溶液腐蚀5min，去除自然氧化膜；将清洗干净的铝翅片放入体积比为9:1的无水乙醇与高氯酸组成的抛光液中，在电压20V，电流0.3A/cm2，室温下电化学抛光1～2min；将抛光后的铝翅片放入0.5mol/L的草酸溶液中进行阳极氧化，处理温度为5℃，电流密度为0.30A/cm2，处理时间为10min；将处理后的铝翅片浸入质量分数为1％的月桂酸无水乙醇溶液中，30min后取出，放入温度为120℃的干燥机中烘干30min，得到抗结霜铝翅片。
1.2表征和测试
按照实施例1的表征方法观察所得铝翅片的表面结构，结果显示，铝翅片表面形成纳米纤维与纳米孔复合的麦穗状分级结构。
按照实施例1的测量方法测量所得铝翅片表面的接触角，结果显示，其静态接触角为172°，表现出超疏水性能。
按照实施例1的测试方法测试所得铝翅片的结霜性能，结果显示，在30min时，铝翅片还未见结霜，直至540min(即9小时)后，才开始出现结霜，晚于普通铝翅片18倍。
实施例5
1.1样品处理
用丙酮超声清洗铝翅片表面油脂污渍后，用1mol/L的NaOH溶液腐蚀5min，去除自然氧化膜；将清洗干净的铝翅片放入体积比为9:1的无水乙醇与高氯酸组成的抛光液中，在电压20V，电流0.3A/cm2，室温下电化学抛光1～2min；将抛光后的铝翅片放入0.3mol/L的草酸溶液中进行阳极氧化，处理温度为0℃，电流密度为0.35A/cm2，处理时间为10min；将处理后的铝翅片浸入质量分数为1％的月桂酸无水乙醇溶液中，30min后取出，放入温度为120℃的干燥机中烘干30min，得到抗结霜铝翅片。
1.2表征和测试
按照实施例1的表征方法观察所得铝翅片的表面结构，结果如图1所示，图1为本实施例所得铝翅片表面的扫面电镜图；可以看出，铝翅片表面形成纳米纤维与纳米孔复合的麦穗状分级结构。
按照实施例1的测量方法测量所得铝翅片表面的接触角，结果如图2所示，图2为本实施例所得铝翅片的表面接触角测试图，可以看出，其静态接触角为178°，表现出超疏水性能。
按照实施例1的测试方法测试所得铝翅片和未经处理的普通铝翅片的结霜性能，结果如图3所示，图3为本实施例中普通铝翅片和处理后铝翅片的结霜过程对比图，其中，图3a为普通铝翅片的结霜过程监测图，图3b为处理后铝翅片的结霜过程监测图。结果显示，在30min时，普通铝翅片表面已完全结霜，而经处理后的铝翅片未见结霜，直至550min(即9个多小时)后，才开始出现结霜，晚于普通铝翅片18倍多。
由上述实施例1～5可知，在高湿度且远低于冰点的条件下，相比于普通铝翅片，经本发明的表面处理方法处理后，能够大大提高工件的抑霜效果，有效延迟霜晶形成，提高抗结霜的持久性达十几倍之多。其中，当电流密度为0.30～0.40A/cm2时(对应实施例4～5)，工件表面形成纳米纤维与纳米孔复合的微纳结构，能够进一步显著提升工件表面的抗结霜性能。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有近似于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种抗结霜的表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)以草酸的水溶液为电解液，将待处理工件在0.1～0.4A/cm2的电流密度下进行阳极氧化处理；
b)对阳极氧化处理后的工件进行表面修饰处理，得到抗结霜工件；
所述表面修饰处理采用的修饰剂为月桂酸；
所述阳极氧化处理的温度为0～5℃；所述表面修饰处理包括：
将阳极氧化处理后的工件置于修饰剂溶液中浸泡处理；
所述修饰剂溶液的质量分数为1％～5％；
所述修饰剂溶液中的溶剂为醇类溶剂；
所述草酸的水溶液的浓度为0.3～0.5mol/L；
所述阳极氧化处理的时间为10～15min。
2.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述表面修饰处理的时间为20～50min。
3.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，在所述步骤a)之前还包括：对待处理工件依次进行表面清洗和电化学抛光。
4.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，所述电化学抛光采用的抛光液为体积比为(5～12)：1的无水乙醇与高氯酸的混合液。
5.根据权利要求3或4所述的表面处理方法，其特征在于，所述电化学抛光的电压为15～25V，电流密度为0.1～0.4A/cm2。
6.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，所述表面清洗包括洗涤剂洗涤和腐蚀液腐蚀；
所述洗涤剂为有机溶剂；
所述腐蚀液包括氢氧化钠溶液、盐酸、氢氟酸或磷酸液。
7.根据权利要求6所述的表面处理方法，其特征在于，所述腐蚀液的浓度为0.5～3mol/L。
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