CN109715298A - 液滴喷射涂料 - Google Patents

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Abstract

提供了从表面喷射冷凝流体的液滴的涂料组合物。所述涂料包括纳米结构化涂层并且在一些实施方案中还包括沉积在上面的疏水层。涂料材料在诸如空气的非冷凝气体存在下从表面喷射液滴并且可以在有待喷射的冷凝流体的过饱和状态下展开。本文描述了利用所述涂料的热交换器设计。

Description

液滴喷射涂料
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年9月19日提交的美国临时申请号62/396,728和2016年9月20日提交的美国临时申请号62/397,319的权益，这两个申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及从表面喷射冷凝流体的组合物和其使用方法。
背景技术
水垢是冷凝传热应用中的常见问题。疏水涂料通常用于促进滴状冷凝传热，所述疏水涂料先前已经显示使传热相对于未经涂布的表面提高了多达三倍。滴状冷凝典型地涉及液滴在表面上成核、聚结并且由于重力而从表面滑下。“跳动液滴”冷凝是在仅含有水蒸气的系统中用仅有的两个疏水表面已经观测到的相对新的现象。与典型滴状冷凝相反，“跳动液滴”冷凝涉及液滴在表面上成核、经由蒸气的进一步冷凝和/或聚结而生长并且然后从表面跳出平面。这已经显示使传热比典型滴状冷凝提高了高达35％。已经观测到诸如空气的非冷凝气体阻止跳动液滴冷凝；因此，这种现象从未在诸如空气的非冷凝气体存在下观测到。此外，还已经观测到高于1.12的过饱和度导致液滴溢出表面而不是跳动，使得传热相对于典型疏水表面降低。(Miljkovic,N.等,可规模化超疏水纳米结构化表面上跳动液滴增强的冷凝(Jumping-Droplet-Enhanced Condensation on Scalable SuperhydrophobicNanostrucutred Surfaces),《纳米快报(Nano Lett.)》13:179-187,doi:10.1021/nl303835d(2013)；Miljkovic,N.等,超疏水冷凝的建模与优化(Modeling andOptimization of Superhydrophobic Condensation),《传热期刊-ASME会报(J.HeatTransf.-Trans.ASME)》135:14,doi:10.1115/1.4024597(2013)；Milkovic,N.等,超疏水表面上的冷凝传热(Condensation heat transfer on superhydrophobic surfaces),《美国材料学会会刊(MRS Bull.)》38:397-406,doi:10.1557/mrs.2013.103(2013)；Aili,A.等,2016年第五届ASME微/纳米尺度传热传质国际会议(ASME 2016 5th InternationalConference on Micro/Nanoscale Heat and Mass Transfer),V001T004A001(ASME,2016))
在高效HVAC应用中遇到的一个问题是主流中夹带的冷凝水蒸气的吹出，使得腐蚀和其它不合需要的结果发生。为了对抗热交换器翅片的腐蚀，常常采用屏蔽涂料。为了维持高的水冷凝效率(空气侧传热效率)，应用改变表面能(变成疏水的或亲水的或者甚至两亲的(疏水和亲水的图案化区))的涂料。亲水涂料使冷凝物以薄层保留在翅片上，以使得下游吹出降至最低。疏水涂料被设计成使冷凝物从表面快速流出。
促进液滴喷射用于传热和/或除湿而不带有先前系统的缺点的改善的表面结构是高效应用所需要的。促进液滴喷射并且增加总传热的改善的表面结构可以促使热交换器设计具有改善的总效率、更小的总足迹(overall footprint)、更简单的翅片设计或上述所有的组合。
发明内容
本文提供了用于从表面喷射冷凝液体的液滴的涂料组合物以及制造和使用所述组合物的方法。
涂料组合物包括沉积在衬底上的纳米结构化层，和沉积在纳米结构化层上的疏水涂料。纳米结构化层的纹理和/或几何形状提供了液滴喷射的驱动力。
在一个方面，提供了沉积在衬底上的涂料组合物。涂料在包括一种或多种非冷凝气体(NCG)的气体混合物存在下从衬底喷射冷凝物的液滴。在一些实施方案中，气体混合物包含空气或空气的主要分子成分、由其组成或基本上由其组成。在一些实施方案中，冷凝物包含水、由水组成或基本上由水组成。
在一些实施方案中，涂料在冷凝状态下从衬底喷射冷凝物的液滴，其中冷凝物在例如高于约1.1的过饱和度下形成。在一些实施方案中，涂料在冷凝状态下从衬底喷射冷凝物的液滴，其中喷射的液滴的液滴算术平均直径小于约500微米。
在一些实施方案中，涂料包括纳米结构化涂料材料的层。在一些实施方案中，纳米结构化涂料材料是疏水的。在其它实施方案中，涂料包括沉积或层叠在纳米结构化涂料材料的至少一部分之上的疏水功能层。
在另一个方面，提供了制造在冷凝状态下从衬底喷射冷凝物的液滴的涂料组合物的方法。在一些实施方案中，所述方法包括使纳米结构化涂料材料沉积在衬底上，其中所述涂料材料经过纹理化以使得液滴从涂料材料的表面喷射。举例来说，涂料可以经过纹理化以使得当内聚力(例如，表面张力)超过表面张力粘着力时喷射液滴，从而产生具有引导远离衬底，例如从衬底的平面出来的分量的净力矢量。在一些实施方案中，纳米结构化涂料材料是疏水的。在其它实施方案中，所述方法进一步包括使疏水功能层沉积或层叠在纳米结构化涂料材料的至少一部分的表面上。
在另一个方面，提供了一种从表面去除冷凝物的方法。在一些实施方案中，所述方法包括在冷凝物质的冷凝发生的状态下使包括经过涂布的衬底(在衬底的表面上包括涂料组合物的衬底)的衬底暴露于所述物质，其中物质的流体液滴(冷凝液滴)在表面上形成并且所述表面喷射液滴。在一些实施方案中，经过涂布的衬底包括纳米结构化涂料材料，例如，沉积在衬底上的纳米结构化涂料材料的层。在一些实施方案中，纳米结构化涂料材料是疏水的。在其它实施方案中，涂料包括沉积或层叠在纳米结构化涂料材料的至少一部分之上的疏水功能层。
在一些实施方案中，液滴在一种或多种NCG存在下喷射。在一些实施方案中，涂料在包括一种或多种NCG的气体混合物存在下喷射液滴。在一些实施方案中，气体混合物包含空气或空气的主要分子成分、由其组成或基本上由其组成。在一些实施方案中，冷凝液滴包含水、由水组成或基本上由水组成。
在一些实施方案中，从衬底喷射的液滴在例如高于约1.1的过饱和度下形成。在一些实施方案中，从衬底喷射的液滴具有小于约500微米的液滴算术平均直径。
在一些实施方案中，经过涂布的衬底暴露于气体混合物，诸如空气，其包括微粒材料，例如包括微粒的空气，并且所述方法包括将微粒材料，例如气载微粒收集于喷射的液滴中，从而从气体混合物，例如空气去除微粒材料，例如气载微粒。
在另一个方面，提供了传热方法，其中本文所描述的涂料组合物在冷凝物质在组合物的表面上冷凝成液滴的状态下暴露于所述物质，并且其中液滴从表面喷射。所述方法可以包括使涂料组合物在一种或多种非冷凝气体(NCG)，诸如空气、空气的组分和/或惰性气体存在下暴露于冷凝物质。所述方法可以包括在过饱和状态下，例如高于约1.0、约1.1或约1.25的过饱和度下冷凝所述冷凝物质。在一些实施方案中，冷凝物质是水、乙醇或制冷剂物质，或其混合物。
在另一个方面，提供了热交换器。热交换器可以被设计成利用本文所描述的涂料并且致力于结垢、效率和腐蚀的主要问题。铝翅片典型地归因于其低成本和高性能而在热交换器的大量制造中使用。本文所描述的方法致力于将纳米结构化涂料应用于这种构造材料。本文还描述了得益于实施所公开的涂料和在跳动液滴的冷凝模式下操作的热交换器设计。至少约或大于约4个翅片/英寸、8个翅片/英寸、10个翅片/英寸、12个翅片/英寸、14个翅片/英寸、16个翅片/英寸、18个翅片/英寸、20个翅片/英寸、22个翅片/英寸、24个翅片/英寸、30个翅片/英寸或更大的紧密翅片间距允许有效传热和高冷凝物收集效率。以翅片之间的距离测量的翅片间距可以低至约25微米、50微米、75微米、100微米、200微米、400微米、800微米、1200微米、1600微米、2000微米或5000微米。在这个设计中，用本文所描述的纳米结构化涂料涂布的翅片极为接近于一个或多个额外的翅片放置。翅片可以用如本文所描述的疏水液滴喷射涂料或用诸如本文所描述的底基涂料的亲水材料涂布。从表面喷射并且太小而不能冲击相邻表面的小液滴在下游蒸发，并且对这些液滴的传热引起其蒸发，伴随去除潜热并且进一步降低空气温度。可以收集冲击相邻板的液滴并且经由冷凝物收集系统从系统去除。在某些非限制性实施方案中，在下游从液滴喷射表面收集液滴。
在另一个方面，提供了热交换器。在一些实施方案中，提供了包括如本文所描述的液滴喷射涂料材料的热交换器。在一些实施方案中，热交换器进一步包括一个或多个亲水表面。液滴可以从液滴喷射涂料喷射并且由亲水表面收集。在一些实施方案中，热交换器的相邻表面用液滴喷射涂料材料涂布并且其余表面是亲水的。在一些实施方案中，冷凝物液滴在例如高于约1.1的过饱和度下形成。在一些实施方案中，液滴在小于约500微米的算术平均液滴直径下喷射。在一些实施方案中，热交换器的表面温度降至低于冷凝物的冻结点。
附图说明
图1(a)-1(b)示出了在冷凝状态下与水一起12小时后未经涂布的铝(1(a))和用如实施例1中所描述的液滴喷射涂料涂布的铝(1(b))的高度放大暗场图像。图像似乎显示显著更少的水在1(b)的经过涂布的表面上冷凝，但事实并非如此。在液滴达到如经由显微镜观测的可测量尺寸之前，水冷凝并且从表面快速喷射。使用实施例1中所描述的方法，水滴在小于500微米的平均直径下喷射。
图2(a1)-2(a5)和2(b1)-2(b5)示出了显示未经涂布的铝(2(a1)-2(a5))与用如实施例1中所描述的液滴喷射涂料涂布的铝(2(b1)-2(b5))上的冷凝进程的高度放大暗场图像。随着在未经涂布的铝表面上时间推移(2(b1)->2(b2)->2(b3)->2(b4)->2(b5))，液滴成核并且聚结成更大的液滴。这些液滴通过沿表面向下流动以重力方式排出。然后重复这个过程以从NCG流去除水。随着在用液滴喷射涂料涂布的表面上时间推移，在液滴可以变得足够大以通过重力排出之前，液滴成核，生长，并且从表面喷射。这使得传热表面上的暴露区增加，由此增加总传热效率。
图3(a1)-3(a3)、3(b1)-3(b3)和3(c1)-3(c3)示出了实施例1中所描述的从冷凝表面的平面喷射出的亚毫米液滴的进程的高度放大暗场图像。连续帧是来自以52帧/秒记录的垂直板的视频。液滴与重力矢量成正交喷射并且然后由于重力向下降落并且由于被设计成模拟空气调节系统的内部环境的受控风洞中的气流而向右移动。相机与垂线成20度定向以使得衬底的窄带在焦平面中。过饱和度从1至2变化而没有性能损失。3(b1)和3(b2)中的插图比例尺是250μm并且3(c1)和3(c2)中的插图比例尺是100μm。随着时间从1至2至3推移，每个图像之间的步长为约0.02秒。3(b)中喷射的液滴为约120μm，而3(c)中喷射的液滴为约10至20μm。随着时间推移，在每一者上显示3(a1)->3(a2)->3(a3)、3(b1)->3(b2)->3(b3)以及3(c1)->3(c2)->3(c3)的液滴喷射。液滴在3(a1)、3(b1)和3(c1)中的表面上可见。20毫秒后，可以观测到液滴离开3(a2)、3(b2)和3(c2)中的表面。喷射事件在若干分之一秒内发生，因为3(a3)、3(b3)和3(c3)指示液滴已经使显微镜的视场清晰。这些喷射事件每秒发生数千次；这三个事件仅仅是现象的一个实例。
图4a-4b示出了利用如本文所描述的纳米结构化涂料的热交换器的示意性图示。4a示出了具有交替液滴喷射和亲水涂料的翅片的布置。4b示出了具有在横截面中从热交换器流体循环管上游的液滴喷射涂布区和下游的亲水涂布区的热交换器翅片的示意性布置。这些图并不意味着最终设计构造，而是示意性地传达本文所描述的概念。
图5a-5d示出了未经涂布的面板(左)上的冻结过程的开始和经过处理的面板(右)上的液体冷凝物。
具体实施方式
本发明提供了通过在冷凝状态下从表面喷射冷凝液体来有效传热的涂料组合物和方法。本文所描述的组合物包括衬底上的纳米结构化涂层，其中疏水功能层沉积在纳米结构化层上。纳米结构化层的几何形状提供了从表面喷射液滴的驱动力。本文所描述的涂料组合物在非冷凝气体(例如，空气或其组分，或惰性气体)存在下从表面喷射冷凝液体(例如，水)的液滴。在一些实施方案中，冷凝液体在大于约1、大于约1.1、大于约1.2或大于约1.25的过饱和度下从表面喷射。在一些实施方案中，液滴以小于约2000微米、小于约1500微米、小于约500微米、小于约250微米、小于约100微米、小于约75微米、小于约50微米、小于约25微米或小于约10微米的直径算术平均值从表面喷射。在一些实施方案中，直径算术平均值为约2000、1500、500、250、100、75、50、25或10微米至约5微米中的任一者。液滴可以从表面喷射以增强传热，来影响环境湿度和/或增强除湿。在某些实施方案中，本文所描述的涂料组合物可以用于以下应用中，诸如(但不限于)水收集和纯化、冷凝物收集、溶剂和/或污染物回收、雾化或增湿。
定义
本文所提供的数值范围将界定这个范围的数值包括在内。
除非上下文另有明确指示，否则“一(a/an)”和所述包括复数个参考物。
“纳米结构化”涂料指的是具有至少一个尺寸小于100纳米的特征的涂料组合物。
“非冷凝气体”或“NCG”指的是在蒸气的所需冷凝状态下不改变相的气体。当正在对空气除湿时，例如，氧气和氮气是NCG。
“空气”在本文中指的是气态流中NCG的混合物，所述气态流还包括诸如水蒸气的可冷凝物质，和其它可冷凝组分。举例来说，空气可以包括(但不限于)氧气、氮气、氩气和/或其它惰性气体，以及更易冷凝的气体，诸如水蒸气和二氧化碳。空气的主要分子成分是氮气、氧气、氩气、二氧化碳、氖气、氦气、甲烷以及水蒸气。
“冷凝状态”指的是表面冷却至低于蒸气的露点的状态。
“过饱和”指的是当蒸气的蒸气压在给定的温度和压力下高于平衡蒸气压的状态。过饱和度1指的是100％的相对湿度并且任何进一步的增加促进冷凝。
关于液体液滴的“喷射”指的是以具有非零法向分量的速度离开表面。
“表面张力”指的是由液体本体中的内聚力产生的液体表面的张力，其朝着本体向内牵引并且倾向于使给定体积的表面积减至最小。
“液滴粘着力”指的是负责促使液滴向外牵引并且在表面上扩展的力，由此防止其形成球体。相反地，“内聚力”是促使液滴自身向内牵引并且形成球体的那些力，诸如表面张力。
“制冷剂”指的是制冷循环中用作工作流体的物质或混合物。这种流体常常经历相变，但未必需要是有效的。
“工作流体”指的是吸收或传输能量的液体或气体。举例来说，空调系统中的工作流体是用于冷却过程流体的冷却剂，诸如氟利昂(Freon)、乙二醇或水。
“过程流体”指的是通过与工作流体相互作用而处理的液体或气体。举例来说，在空调系统中，过程流体是正被冷却的空气。
“显热比”指的是显冷量与全冷量的比率。
液滴喷射涂料
提供了从衬底的表面喷射液体的冷凝液滴的液滴喷射涂料材料。液滴喷射涂料材料包括沉积在衬底上的纳米结构化材料，和沉积在纳米结构化材料上的疏水材料。纳米结构化材料包括提供液滴从表面喷射的驱动力的几何形状。几何形状可以包括(但不限于)促使液滴在冷凝后呈扭曲形状的纳米结构。
液滴喷射涂料材料可以包括经过纹理化的表面以使得当表面张力超过液滴粘着力时喷射冷凝液滴，从而产生具有从衬底的平面出来的分量的净力矢量，例如，在从表面或入口流去除液体是有利的应用中。这种应用的一个令人惊讶的实例是防止冻结，即，防止结霜开始，例如，其中喷射时的液滴直径足够小，小于约500微米，这防止结霜和霜粘着在所关注的衬底上。
本文所公开的涂料材料可以在气体混合物，例如包括一种或多种NCG的气体混合物存在下从表面喷射冷凝流体。举例来说，涂料材料可以在空气、空气的气体组分、或惰性气体存在下喷射流体。在一些实施方案中，气体混合物包括氧气和/或氮气。在一些实施方案中，气体混合物包括氮气、氧气、二氧化碳、氢气、氦气和氩气，或其组合。在一个实施方案中，气体混合物由氮气、氧气、二氧化碳、氢气、氦气和氩气组成。在一些实施方案中，气体混合物包括氧气、氮气、二氧化碳和氩气，或其组合。在一个实施方案中，气体混合物由氧气、氮气、二氧化碳和氩气组成。在一个实施方案中，气体混合物是空气。
本文所公开的涂料材料可以在大于约1.0、1.1、1.2或1.25的过饱和度下或在约1.0至约1.1、约1.1至约1.25、约1.1至约3.0、或约1.1至5.0的过饱和度下从表面喷射冷凝流体。
可以由本文所公开的涂料材料喷射的冷凝流体液滴包括(但不限于)水、乙醇和制冷剂。在一些实施方案中，冷凝流体选自水、乙醇、氢氟碳(HFC)和氢氟烯烃(HFO)，或其组合。在一些实施方案中，冷凝流体选自水、乙醇、二氟甲烷(HFC-32)、二氟乙烷(HFc-152a)、五氟乙烷(HFC-125)、2,3,3,3-四氟丙烯(HCO-1234yf)、1,3,3,3-四氟丙烯(HFO1234ze)，或其组合。在一个实施方案中，冷凝流体是水。在一些实施方案中，冷凝流体是工业过程或工作流体。
如本文所描述的液滴喷射涂料材料可以从表面喷射冷凝流体液滴，其直径算术平均值小于约2毫米、小于约1毫米、小于约500微米、小于约250微米、小于约100微米、小于约75微米、小于约50微米、小于约25微米或小于约10微米，或约10微米至约25微米、约25微米至约50微米、约50微米至约75微米、约75微米至约100微米、约100微米至约250微米、约250微米至约500微米、约500微米至约1毫米、约1毫米至约2毫米、约10微米至约50微米、约25微米至约100微米、或约100微米至约500微米中的任一者。
在一些实施方案中，纳米结构化涂层包括纳米结构化金属、陶瓷、玻璃或聚合物。
在一些实施方案中，纳米结构化涂层包括陶瓷，其为金属氧化物。金属氧化物可以是例如过渡金属氧化物、氧化锡(IV)、氧化镁(II)(MgO)或氧化铝。在一些实施方案中，过渡金属氧化物选自氧化锌、氧化铁(II、III)(Fe3O4)、氧化铁(III)(Fe2O3)、氧化锰(IV)(MnO2)、氧化锰(II、III)(Μn3O4)、氧化锰(III)(Mn2O3)、氧化镍(II)(NiO)、氧化镍(III)(Ni2O3)、氧化锆(IV)(ZrO2)、氧化钛(IV)(TiO2)、氧化铬(III)(Cr2O3)、氧化铜(II)(CuO)、氧化钴(II)(CoO)、氧化钴(III)(Co2O3)以及氧化钴(II、III)(Co3O4)。
在一些实施方案中，纳米结构化涂层包括玻璃。在一些实例中，玻璃包括二氧化硅或硅酸盐。
在一些实施方案中，纳米结构化涂层包括聚合物。在一些实例中，聚合物是含氟聚合物、聚乙烯或聚丙烯。在一些实施方案中，聚合物是选自以下的含氟聚合物：聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙二烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)以及氟化乙烯丙烯(FEP)，或其组合。在一些实施方案中，聚合物是嵌段共聚物，例如(但不限于)其中共聚物的每个嵌段小于约500个单体单元或小于约200个单体单元。举例来说，嵌段共聚物可以是包括两个或更多个单体单元的疏水聚合物。在一些实施方案中，嵌段共聚物可以包括一个或多个单体，诸如(但不限于)丙烯、乙烯、四氟乙烯、三氟乙烯、氟乙烯、六氟丙烯、1,1-二氟乙烯、1,2-二氟乙烯以及异丁烯。
在一些实施方案中，疏水涂层可以包括一个或多个疏水官能团，其选自烷基、乙烯基、苯基以及氟烷基。举例来说，疏水官能团可以包括(但不限于)烷基硅烷、乙烯基硅烷、苯基硅烷或氟烷基硅烷。在某些非限制性实施方案中，疏水官能团是六甲基二硅氮烷、甲基硅醇钠盐、甲基硅醇钾盐、聚二甲基硅氧烷醇(dimethiconol)、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟癸基三乙氧基硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷、十八烷基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷或苯基三乙氧基硅烷。在一些实施方案中，疏水涂料指的是官能化全氟聚醚，诸如全氟聚醚硅烷、全氟聚醚膦酸或全氟聚醚膦酸盐。在一些实施方案中，疏水涂料指的是当添加至平滑衬底中时赋予大于或等于90度的接触角的涂料。
制造液滴喷射涂料的方法
提供了制造例如在冷凝状态下从衬底喷射冷凝液体液滴的涂料的方法。在一些实施方案中，所述方法包括：(a)使纳米结构化涂层沉积在衬底上；以及(b)使疏水功能层，即，包括一个或多个疏水官能团的疏水材料沉积在纳米结构化材料的表面上。在其它实施方案中，所述方法包括：使纳米结构化涂料材料的层沉积在衬底上，其中纳米结构化涂料材料是亲水的(hydrophobic)或在其表面上包括一个或多个疏水官能团。
纳米结构化层可以通过任何适合的手段沉积在衬底上，所述手段包括(但不限于)溶胶凝胶加工、化学浴沉积、浸涂、喷涂、物理蒸气沉积或化学蒸气沉积。在一个实施方案中，纳米结构化涂料是通过例如溶胶凝胶加工、化学浴沉积或浸涂而沉积的金属氧化物。疏水功能层可以通过任何适合的手段沉积至纳米结构化层上，所述手段包括(但不限于)蒸气沉积或浸涂。
纳米结构化和疏水涂料材料的非限制性实例描述于上文。衬底可以包括金属、金属合金、玻璃、聚合物或陶瓷材料。
在一些实施方案中，衬底在如本文所描述的纳米结构涂层沉积之前加以预处理，以去除表面上的碎屑或物质和/或以使表面平滑(即，接近衬底以促进粘着并防止缺陷)，其中一个或多个处理选自清洁、脱脂、冲洗、蚀刻、除灰、氧化、去除先前的处理、粗化、平坦化、蒸汽清洁、热氧化以及平滑化。
使用液滴喷射涂料的方法
还提供了使用如本文所描述的涂料用于从表面去除流体、用于热去除、用于去除气载微粒和污染物、用于除湿和/或用于防止结霜的方法。所述方法包括在冷凝物质的冷凝发生的状态下使上面有如本文所描述的液滴喷射涂料的衬底暴露于所述物质，其中物质的流体液滴在表面上形成，并且其中所述表面喷射液滴。在一些实施方案中，所述方法包括(a)使纳米结构化涂层沉积在衬底上；以及(b)使疏水功能层沉积在纳米结构化材料的表面上，以及(c)在冷凝物质的冷凝发生的状态下使经过涂布的衬底暴露于所述物质，其中物质的流体液滴在表面上形成，并且其中所述表面喷射液滴。
在一些实施方案中，使经过涂布的衬底暴露于冷凝物质在一种或多种气体存在下发生，所述气体例如包含一种或多种NCG或由一种或多种NCG组成。在一个实例中，经过涂布的衬底在空气存在下暴露于冷凝物质。在一些实施方案中，经过涂布的衬底在气体混合物存在下暴露于冷凝物质，所述气体混合物包括氮气、氧气、二氧化碳、氢气、氦气和氩气或其组合中的一者或多者。在一些实施方案中，经过涂布的衬底所暴露于的气体混合物的量可以为例如约1ppb至约10ppm、大于约5ppm、大于约1％或大于约20％，或在某些实施方案中至多100％，例如，以从空气流分离水蒸气，或以从气体流分离可冷凝物质。
在一些实施方案中，使经过涂布的衬底暴露于冷凝物质在物质过饱和下发生。在一个实例中，过饱和度大于约1.1。在一些实施方案中，过饱和度大于约1.0、1.1、1.2或1.25中的任一者，或为约1.0至约1.1、约1.1至约1.25、约1.1至约3.0、或约1.1至约5.0。
在一些实施方案中，衬底可以在无外部电场或偏压的工作环境中使用。
冷凝物质可以是在表面上冷凝并且需要从表面去除的任何物质，例如，出于降低冷凝开始发生的温度的目的或用以增加在给定温度下发生的冷凝量。举例来说，冷凝物质可以是水、乙醇或制冷剂。在一个实施方案中，冷凝物质是水蒸气。在一些实施方案中，喷射的液滴可以改变工业过程或工作流体的特性。
冷凝物质可以是在表面上冷凝或粘着并且需要从表面去除的任何物质，例如，出于防止表面上形成粘着的霜或冰的目的。举例来说，冷凝物质可以是水，其中表面温度低于水的冻结点，并且水在形成固相(霜或冰)之前从表面去除。在另一个实施方案中，冷凝物质可以是水，其中表面温度低于水的冻结点，并且液体液滴部分地从湿态至脱湿态喷射，这降低了液体的表观冻结点。
在一些实施方案中，本文所描述的涂料通过增加冷凝温度，从而降低蒸馏系统的能量需求来提高蒸馏系统，例如蒸气蒸馏装置的效率。
在一些实施方案中，本文所描述的涂料降低工艺设备，诸如冷凝器，例如蒸馏回流冷凝器中的冷凝的能量需求。
在一些实施方案中，本文所描述的涂料增加工艺设备，诸如排出气流，例如分液锅中的冷凝性能。
在一些实施方案中，外力，例如空气流动、振动和/或液滴聚结提供了除表面张力以外的过量能量，以实现液滴喷射。
在一些实施方案中，可以引导并收集喷射的冷凝物液滴。举例来说，外部收集单元或部件，例如相邻的外部收集单元或部件可以用于收集冷凝的喷射液体。这种收集单元或部件的实例包括(但不限于)热交换器(例如，热交换器翅片)、筛网、过滤器、集雾器以及冷凝物收集盘。
在一些实施方案中，将液滴喷射至冷却的气体混合物流，例如包括一种或多种NCG的气体混合物流，例如空气中，并且再蒸发，由此降低工作或工业过程流体的温度。举例来说，喷射至冷却的气体混合物流中的液滴可以改变冷却的工作或工业过程流体的显热比。在一个实施方案中，冷凝物质是水并且工作或过程流体是空气，并且相对湿度增加并且温度降低，由此增加热交换器的显热容。
在一些实施方案中，喷射的液滴将与气载微粒相互作用并且将这种材料收集至液滴中。若干液滴可以按多种方式收集并且所收集的微粒可以从系统去除。
在一些实施方案中，喷射的液滴将与气载化合物相互作用。可溶于喷射的液滴材料中的气载化合物将由喷射的液滴溶解并收集。能够悬浮于喷射的液滴材料中的气载化合物将由喷射的液滴悬浮并收集。若干液滴可以按多种方式收集并且所收集的化合物可以从系统去除。举例来说，喷射的水滴可以收集气载物质的额外液滴或有助于非均相冷凝。
设计成与液滴喷射涂料一起使用的热交换器
提供了包括亲水和疏水(例如，液滴喷射)涂料的交替翅片的系统和其制造方法。亲水涂料区可以与本文所描述的疏水(例如，液滴喷射)涂料相结合通过独立地浸没并加工交替翅片并且再组装来产生，或通过部分地浸没将在纳米结构化涂料初始沉积之后涂布的部件而产生液滴喷射和亲水特性的相邻区。经由在涂布过程期间部分浸没，先前组装的单元可以用上游疏水(例如，液滴喷射)涂料部分地涂布并且下游保持亲水的。组装的单元可以用亲水材料涂布，并且随后用疏水涂料部分地涂布。
描述了交替翅片用疏水(例如，液滴喷射)和亲水材料涂布的结构。在亲水涂布的翅片上形成的冷凝物带走水，用于返回至冷凝物滴盘。在疏水(例如，液滴喷射)材料涂布的翅片上形成的冷凝物喷射冷凝物，以在相邻翅片或收集器具上收集用于返回至冷凝物滴盘。
描述了一些区(例如，上游区)用疏水(例如，液滴喷射)材料涂布并且其它区(例如，下游区)是亲水的热交换器或其它系统。在一些实施方案中，在液滴喷射涂布区上形成并且被喷射的冷凝物可以由下游亲水材料收集。在一些实施方案中，将要喷射液滴的热交换器的任何部件可以用如本文所描述的液滴喷射材料涂布，并且将收集冷凝物的其余部件可以是亲水材料。举例来说，除翅片以外或替代翅片，底架、滴盘等可以用液滴喷射材料涂布。在一些实施方案中，热交换器的相邻表面用液滴喷射(例如，疏水)涂料涂布并且其余表面是亲水的。在一些实施方案中，亲水材料是涂料，并且在其它实施方案中表面是固有亲水的或通过表面处理而促使亲水。
提供了包括有包含液滴喷射涂料的翅片的系统和其制造方法。描述了翅片用液滴喷射材料涂布的结构。在液滴喷射材料涂布的翅片上形成的冷凝物喷射冷凝物，以被收集用于去除。在液滴喷射涂布区上形成并且被喷射的冷凝物可以由下游亲水材料收集。在一些实施方案中，将要喷射液滴的系统(例如，热交换器)的任何部件可以用如本文所描述的液滴喷射材料涂布，并且将收集冷凝物的其余部件可以是亲水材料。举例来说，除翅片以外或替代翅片，底架、滴盘等可以用液滴喷射材料涂布。在一些实施方案中，亲水材料是涂料，并且在其它实施方案中表面是固有亲水的或通过表面处理而促使亲水。在其它实施方案中，喷射的冷凝物自然地(例如，液滴-液滴)或主动地(例如，网筛聚结器)聚结并且通过重力或气体混合物流的其它加速(例如，流中的气旋或转弯)而去除。
设计成与液滴喷射涂料一起用于防霜的热交换器
提供了减少或消除霜形成的热交换器或其它系统和其制造方法。这种系统包括如本文所描述的液滴喷射涂料材料，并且与不包括液滴喷射涂料材料的相同系统相比减少或消除了霜形成。在含有液滴喷射涂料的表面上形成的冷凝物经由本文所描述的液滴喷射机制去除。在保留于表面上的冷凝物将最终形成固体霜或冰的环境表面温度和状态下的结构经由如本文所描述的液滴喷射机制喷射冷凝物的液滴，从而延迟或完全防止固体霜或冰的形成。霜和冰的形成对这类装置和额外设备的效率是不利的，并且本文所描述的方法和材料用于去除或防止霜和/或冰的形成。包括液滴喷射涂料的结构还降低了去除霜和/或冰所需要的时间和/或能量。系统可以使用本文所描述的液滴喷射涂料材料来设计以使用于除霜和/或除冰的能量使用降至最低。举例来说，除霜周期可以针对能量最低化来优化。举例来说，除霜系统和硬件可以针对能量最低化来修改(例如，更低功率)和/或完全去除。
以下实施例意图说明而非限制本发明。
实施例
实施例1
通过将清洁的衬底浸没于浓度在10mM至1M范围内的碱土金属或过渡金属盐和六胺的等摩尔水溶液中历时5分钟至3小时范围内的时间来生成液滴喷射涂料。举例来说，铝衬底与50mM浓度的硝酸锌作为过渡金属盐和90℃的温度一起使用，历时2小时的持续时间。然后从溶液中移出衬底，冲洗，并且空气干燥。然后在100℃至600℃范围内的温度下烘烤经过涂布的衬底，历时5分钟至48小时范围内的持续时间。举例来说，在550℃的温度下烘烤涂料，历时24小时的持续时间。然后将表面浸没于pH介于1与7之间的稀酸冲洗溶液中，历时15秒至24小时范围内的持续时间。举例来说，将衬底浸没于pH 3的酸溶液中24小时。然后将衬底置于浓度在0.05％至2％范围内的含有疏水功能分子的溶液中，历时2秒至48小时范围内的持续时间。举例来说，在共沸乙醇中生成全氟癸基三乙氧基硅烷的1％溶液。添加数滴乙酸以催化反应。然后将衬底浸没于溶液中24小时，冲洗，并且然后在120℃下退火1小时。然后在过饱和空气流中冷却衬底以从表面喷射液滴。
结果示于图1(a)-1(b)、图2(a1)-2(a5)和2(b1)-2(b5)以及图3(a1)-3(a3)、3(b1)-3(b3)和3(c1)-3(c3)中。
实施例2
通过将清洁的衬底浸渍于由两个或更多个单体组成的嵌段共聚物的溶液中来生成液滴喷射涂料，其中至少一个单体能够形成疏水聚合物。举例来说，使用溶剂或溶剂混合物生成聚(四氟乙烯-嵌段-乙烯)的1％溶液。聚合物嵌段长度可以在50至500个单体单元的范围内，诸如500个单体单元的长度。举例来说，溶剂是50/50比率的杜邦清洗剂(Vertrel)/三氯苯混合物。然后移出衬底并且使其干燥。然后在过饱和空气流中冷却衬底以从表面喷射水滴。
实施例3
通过将具有粗糙纹理的清洁衬底浸渍于由两个或更多个单体组成的嵌段共聚物的溶液中来生成液滴喷射涂料，其中至少一个单体能够形成疏水聚合物。举例来说，将衬底浸渍于氟化乙烯丙烯(FEP)的嵌段共聚物的熔化物中，其中聚合物嵌段长度可以在50至500个单体单元的范围内，诸如500个单体单元的长度。不需要溶剂，因为涂料从熔化物形成。然后在过饱和空气流中冷却衬底以从表面喷射水滴。
实施例4
使用如实施例1中所描述的工艺保形地涂布5056铝合金的200目铝网，留下很大程度上不变的开放区。这个网具有以下特征：
实施例5
使用如实施例1中所描述的工艺保形地涂布1英寸×2英寸3003铝合金面板。类似的1英寸×2英寸3003铝合金面板未经处理。将面板以并排的方式安装至电冷却模块。使冷却模块的温度降至观测到冷凝的点并且在经过处理的面板上注意到液滴喷射冷凝。在未经处理的面板上注意到冷凝。使冷却模块温度进一步降至过冷的约5℉，并且在未经处理的面板上观测到液滴冻结，而在经过处理的面板上不发生冻结。
图5a-5d示出了在未经涂布的面板上冻结过程的开始和在经过处理的面板上的液体冷凝物。
尽管出于理解清晰的目的已经经由说明和实例相当详细地描述了前述发明，但本领域的技术人员将显而易见，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以实施某些变化和修改。因此，描述不应解释为限制本发明的范围。
本文所引用的所有公布、专利和专利申请借此出于所有目的以全文引用的方式并入并且程度如同每个个别的公布、专利或专利申请特定地和个别地指示以引用的方式并入一般。

Claims (27)

1.一种沉积在衬底上的涂料，其在冷凝状态下在包含一种或多种非冷凝气体(NCG)的气体混合物存在下从所述衬底喷射冷凝物的液滴。
2.根据权利要求1所述的涂料，其中所述气体混合物包含空气或空气的主要分子成分。
3.一种沉积在衬底上的涂料，其在冷凝状态下从所述衬底喷射冷凝物的液滴，其中所述冷凝物在高于约1.1的过饱和度下形成。
4.一种沉积在衬底上的涂料，其在冷凝状态下从所述衬底喷射冷凝物的液滴，其中喷射的液滴的液滴算术平均直径小于约500微米。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涂料，其中所述冷凝物包含水。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涂料，其中所述涂料包含纳米结构化涂料材料的层。
7.根据权利要求6所述的涂料，其中所述纳米结构化涂料材料是疏水的。
8.根据权利要求6所述的涂料，其中所述涂料包含涂布在所述纳米结构化涂料材料之上的疏水功能层。
9.一种制造在冷凝状态下从衬底喷射冷凝物的液滴的涂料的方法，其包括：使疏水纳米结构化涂层沉积在衬底上。
10.一种制造在冷凝状态下从衬底喷射冷凝物的液滴的涂料的方法，其包括：使纳米结构化涂料材料沉积在衬底上，其中所述涂料经过纹理化以使得当内聚力超过表面粘着力时喷射液滴，产生具有从所述衬底的平面出来的分量的净力矢量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述纳米结构化涂料材料是疏水的。
12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：使疏水功能层沉积在所述纳米结构化涂料材料的表面上。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述内聚力包含表面张力。
14.一种从表面去除冷凝物的方法，其包括：在冷凝物质的冷凝发生的状态下使经过涂布的衬底暴露于所述物质，其中所述物质的流体液滴在所述表面上形成，并且其中所述表面喷射所述液滴，其中所述经过涂布的衬底包含所述衬底上的纳米结构化涂料材料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述纳米结构化涂料材料是疏水的。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述经过涂布的衬底包含涂布在所述纳米结构化涂料材料上的疏水功能层。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述液滴在一种或多种NCG存在下喷射。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中所述液滴在高于约1.1的所述冷凝物的过饱和度下喷射。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中所述液滴在小于500微米的液滴算术平均直径下喷射。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，所述暴露所述经过涂布的衬底在包含气载微粒的空气存在下进行，并且其中所述方法包括将所述空气中的所述气载微粒收集至喷射的液滴中，从而从所述空气去除所述微粒。
21.一种热交换器，其包括包含根据权利要求1至8中任一项所述的液滴喷射涂料的区域。
22.根据权利要求21所述的热交换器，其进一步包括包含一个或多个亲水表面的区域。
23.根据权利要求22所述的热交换器，其中液滴从所述液滴喷射涂料喷射并且由所述亲水表面收集。
24.根据权利要求22或23所述的热交换器，其中相邻表面用所述液滴喷射涂料涂布并且其余表面是亲水的。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的热交换器，其中液滴在小于约500微米的算术平均液滴直径下喷射。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的热交换器，其中所述冷凝物在高于约1.1的过饱和度下形成。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的热交换器，其中所述表面的温度降至低于所述冷凝物的冻结点。
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