- 頭條研究發現：超疏水表面有著良好的延緩結冰和抑制結霜的能力2021-01-17 作者：張迅 曾華榮 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語貴州電網有限責任公司電力科學研究院、輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員張迅、曾華榮、田承越、馬曉紅、熊青，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“大氣壓等離子體制備超疏水表面及其防冰抑霜研究”），利用大氣壓下等離子體放電在玻璃基底上沉積超疏水薄膜，放電采用自設計介質阻擋放電結構實現大面積沉積，同時采用氬氣作為工作氣體，六甲基二硅氮烷（HMDSN）作為前驅單體，在13.56MHz射頻電源的驅動下成功制備出超疏水表面，靜態接觸角高達171.4°，滾動角小于2°。 發射光譜（OES）下發現單體在放電間隙中裂解，產生大量疏水性基團。同時空氣中的氮氣和氧氣也參與了反應，但不影響其疏水性。原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）測試表明超疏水表面有著均勻的微納米級粗糙結構，表面的平均粗糙度達到200nm左右。 在自制半導體制冷腔中進行了一系列低溫試驗，結果表明超疏水表面有著良好的延緩結冰和抑制結霜的能力。
超疏水表面具有廣泛的基礎研究和工業應用潛力。一種典型的應用是使用超疏水涂層的自清潔功能來實現防污目的，利用了超疏水表面上水滴滾動角較小，在下雨時灰塵顆粒很容易被帶走，主要應用于太陽能、汽車制造（表面和窗玻璃）和建筑領域。同時，超疏水薄膜上液滴接觸角大，接觸面積小，因此通常也具有抗腐蝕能力，可以避免或明顯減少酸性或堿性液體的腐蝕，從而延長設備的使用壽命。
基于其獨特的防水性能，超疏水表面的另一個潛在應用是利用它們來減少表面的積雪或積冰，甚至完全防止固體表面上的覆冰。電力行業中每年都有因輸電線路的絕緣子在大氣環境下的覆冰導致絕緣性能受到影響的報道，導致不可估量的經濟損失。
大量研究報道，在超疏水表面可以實現冰粘附的明顯減少，有助于冰的脫落。近幾十年來，基于Cassie-Baxter和Wenzel理論開發出了先進的疏水性表面，包括化學蝕刻、溶膠-凝膠技術、噴涂和等離子體處理。
在這些方法中，等離子體技術已被證明是一種非常有前景的處理方法，其利用氣體放電產生高反應性等離子體物質來改變各種基質的化學組成和形態。大氣壓等離子體作為用于制備超疏水表面的多種等離子體源之一，由于其不需要低壓等離子體昂貴的真空系統，操作方便，處理快速，有利于大規模實際生產而被廣泛研究。
目前已經有研究使用不同的低成本等離子設備用于表面改性，這些設備由各種電源驅動，包括kHz交流（AC）電源或脈沖直流源（DC），以及MHz射頻（RF）和GHz微波源，多采用介質阻擋放電結構（Dielectric Barrier Discharge, DBD）。
Ma W. 和Yang S. H. 等利用大氣壓等離子體聚合等方法在樣品表面沉積低表面能的CFx和CHx基團或粗糙度高的有機硅聚合物，成功制備出水接觸角超過150°，同時具有較低的滾動角的超疏水表面。雖然已有等離子體聚合沉積超疏水薄膜的大量研究，但是將其應用在延緩結冰及其防冰效果方面的實驗工作較少。
基于上述問題，本文利用大氣壓下介質阻擋放電制備超疏水表面，并測試其在低溫低濕度環境下的防冰和抑霜能力。
圖1 大氣壓等離子體制備超疏水薄膜裝置圖
圖2 放電實物圖
圖3 半導體制冷裝置
結論
1）設計了大氣壓等離子體氣相沉積裝置，采用介質阻擋放電結構，能夠低成本方便快捷地制備超疏水薄膜；在玻璃基底上成功制備出了超疏水表面，單體流量為20sccm時，靜態接觸角達到171.4°，滾動角低于2°；在功率不變的情況下，加大單體含量會導致表面結構不均勻，成膜質量變差，以致滾動角增大直至失去超疏水性。
2）在-2℃的低溫環境中，與未處理的裸玻璃板相比，制備的超疏水玻璃表面能夠顯著延長靜態冷卻水滴的冷凍過程，結冰時間延長至3倍以上；當平臺具有傾斜度時，水滴滾走從而不會在樣品表面出現大面積覆冰；同時低溫下結霜試驗表明，制備的超疏水薄膜由于μm～nm級的表面粗糙結構，低溫條件下展現了良好的抑制結霜性能。
