表面涂层抑制结霜的应用研究现状

翟丽华 邵英

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

1 引言

冬季空气源热泵机组换热器表面结霜是非常普遍的现象，如换热器表面结霜，将会对换热器的工作性能造成较大影响，因此，国内外一些研究者采用了表面处理技术（亲水性涂层或疏水性表面）对换热器表面抑制结霜进行实验研究。

换热器表面涂层的研究主要集中在制作超亲水性表面和超疏水性表面。涂层材料的物性例如附能力、凝固点、挥发性等是影响降低结霜速率的重要因素。

关于亲水性涂层的抑制结霜机理目前还存在着一些争议，大多数认为是由于亲水性涂层材料里含有强吸水性物质，在结霜初始阶段可将凝结在冷板表面上的水珠吸附到亲水涂料层的内部，同时由于涂料层内含有能使吸附的水珠不发生冻结的物质，因此能够延缓形成初始霜晶 。

疏水性表面由于表面能差异以及水的表面张力，冷凝水与壁面会形成不同的固定接触角θ，θ角度与临界脱落半径成反比，也就是说疏水性越好，其表面能会越小，液滴脱离需克服的粘附功就越小，因而越容易脱落进而能够有效的抑制结霜。

目前，国内北京工业大学、大连海事大学、大连理工大学、中国科学院化学研究所等研究机构对换热器表面涂层抑制结霜进行了较为深入的研究。其中北京工业大学研制的亲水涂料在冰箱上进行了试验验证。

2 亲水性抑霜涂层应用研究

目前的研究通常采用丙三醇等作为亲水表面涂层的材料 。

Okoroafor（2000） 采用高聚物亲水表面进行了抑霜试验，两个多小时的试验取得了较好的抑制结霜效果，高聚物亲水表面结霜速率及霜层厚度减少了1030%，但亲水表面涂层的厚度较厚，一般大于0.7mm以上。涂层材料虽然起一定的防霜抑霜作用，但涂层较厚会增加实际应用过程中换热器表面的热阻，同时也会减少了空气流通面积，并且Okoroafor并没有说明这种亲水表面涂层重复使用的情况。

刘凤珍等（2000） 采用丙三醇（甘油）作为亲水涂层材料，实验过程中空气中的水蒸气不断凝结于冷壁表面的丙三醇中，使溶液浓度不断被稀释，因此延缓了结霜现象的出现，而随着丙三醇逐渐被空气带走，亲水涂层消失后还是会出现结霜。

Webb等（2001）实验研究表明，亲水性的表面相对于疏水性表面，更适用于始终维持在低温环境下的换热器。因为在融霜、结霜过程中，亲水性表面上的水滴不易快速挥发、从而在融霜后容易重新结冰，不适用于反复融霜、结霜的条件下 。

英国Highgate（2003）经过试验验证，亲水涂层里可以吸附大量的水份及存贮部分潜冷，被吸附的水能够达到-20℃都不结成冰 。

北京工业大学张新华等（2006） 对含有纳米SiO涂层的亲水表面上进行了结霜试验研究。测量了涂层表面与紫铜板表面之间的接触角，在不同的实验条件下对比了涂层表面与紫铜表面的霜层厚度。试验表明环境相对湿度比较小、冷壁表面温度不太低的工况下，这种含有纳米SiO涂层具有较好地抑霜效果。采用红外成像仪测量不同时刻的霜层表面温度，可以得知这种亲水涂层材料具有较小的传热热阻，其与具有较大传热热阻的霜层相比几乎可以被忽略。但随着霜层厚度的增加，涂层就失去了抑霜的作用。

针对目前亲水涂层材料存在的各种缺陷，北京工业大学在原有涂层材料的配方基础上研制了一种强吸水性涂料，其抑霜效果和使用寿命等方面有一定进步。实验表明在空气相对湿度较低、冷壁表面温度较高的工况下可以长时间持续不结霜，但是涂层材料膜的厚度也较厚，达0.3 mm～0.4mm；在高湿度、低壁温的工况下，涂层材料抑制结霜效果不明显，而且其表面较柔软，抗冲击能力较差。之后改进了涂料的工艺和配方，新型的强吸水性抑霜涂料在成膜厚度、表面硬度、反复使用寿命及高湿度、低壁温条件下抑霜效果等方面均有明显的改善，而且新涂层材料成膜厚度只有0.03mm，仅为之前涂料层厚度的10%。两个月的重复实验表明该种新型涂层的抑霜能力基本保持不变。改良后的涂料在高湿度、低壁温环境下的抑霜时间比以往涂料可以增加两个小时以上。分析认为这种亲水涂料的抑霜机理可能是由于其所含有高分子类树脂以及水分子具有极性特点 。将这种亲水涂料应用于一翅片管式换热器（日本大金空调公司提供）上并测试了抑霜效果，翅片的间距为1.7mm，亲水涂层的厚度为0.03mm。结果表明亲水涂层可以延长第一个除霜周期，具有良好的抑霜作用，但在第二个循环周期只持续了39分钟，因而亲水涂层在换热器上的应用还有待进一步的改进。这种亲水涂料还应用在冰箱上进行了抑霜效果验证。厚度为0.2mm的涂料刷涂于冰箱冷冻室内壁，十个月的实际运行表明抑霜效果较明显 。但对这种涂层的厚度、牢固性以及耐久性仍有待于进一步的深入研究。

东南大学杨剑（2006） 对疏水性涂层及吸水性涂层抑制结霜进行了研究，疏水性涂层材料采用了车蜡，吸水性涂层材料则采用丙三醇。试验发现在低温低湿条件下，吸水性涂层具有的明显抑制结霜效果，其不仅能够减少结霜量，而且会延长结霜时间，但在高温、高湿条件下，则适宜采用疏水性涂层材料来防霜抑霜。

东南大学蔡亮等（2008） 采用丙三醇进行的吸水性涂层抑霜试验发现，吸水性涂层在初始阶段抑霜效果最好，其抑霜能力随着时间的增长而逐渐下降。

总而言之，目前亲水性涂层材料存在反复实用性较差、恶劣工况下抑霜作用不明显以及表面硬度较低等特点，仍需进一步加强对材料厚度、持久性等的研究。

3 疏水性表面抑霜应用研究

疏水性表面涂层的材料常用硅油或硅脂、四氯乙烯(TPEF)、硅酮、车蜡等。但单一的涂层延缓结霜的效果欠佳，因此近年，也有不少研究者主要采用化学方法、机械加工方法、电腐蚀方式等方法来形成疏水角在160度以上的超疏水表面。

2003年，大连海事大学与冰山集团大连冷冻机股份有限公司合作，将研制的高疏水性涂层应用于空冷器上并进行了性能对比试验，试验表明高疏水性涂层不仅可以改善空冷器湿工况下的传热性能，而且可以降低冷表面结霜温度 。之后，大连海事大学（2010） 在硅基板表面上采用激光方法加工组装成膜，使硅基板表面接触角最高达156度，制成具有超疏水性能的硅材料基板。

河南新飞电器有限公司（2006） 采用化学方法和电化学方法，在铝箔表面形成了具有疏水纳米结构的表面，疏水角在160度以上，并对这种结构的铝箔进行了结霜、化霜的初步研究，实验结果表明结霜速度比普通结构的铝箔慢而且化霜速度也比普通快。但纳米疏水表面制作过程较长，不利于大批量生产。

北京工业大学勾星君、刘中良等（2007）研究了仿生超疏水表面以及紫铜表面上的结霜情况。其自制的仿生超疏水表面与水滴的接触角可以达到162 ，因液滴表面凝结能障增大而减少形成液滴数量，进而可以延长水滴冻结及初始霜晶出现的时间，在这种仿生超疏水表面上出现初始霜晶的时间可以比普通的紫铜表面延迟55分钟以上。这种仿生超疏水表面的成霜过程不同于普通的固体表面，霜晶围绕局部中心横向生长形成类似菊花状或麦穗状的霜晶团。

大连理工大学周艳艳等（2008） 应用化学刻蚀法在铝基表面制作了纳米一微米粗糙结构，形成接触角大于161度的超疏水表面。这种超疏水表面在低温环境下能产生一定的抑制结霜作用。试验表明接触角越大抑霜效果越好。但长时间在低温结霜环境下，疏水表面会失去超疏水特性，需要烘烤使之恢复。

目前关于利用超疏水表面抑制结霜的应用报道也比较少。疏水表面现有的制备方法存在制作步骤复杂、条件苛刻、成本较高等问题，而且存在材料表面结构易老化磨损、易被污染、强度低、使用寿命短等缺点 。

此外，强疏水表面特性的影响也仅局限于结霜初期，如果冷壁表面形成霜层，则表面疏水特性将不再起作用，因此疏水性涂层在目前仍无法成为有效实用的抑霜技术。

4 结论

目前国内关于亲水性涂层、疏水性表面的探索研究基本以实验为主，大部分的研究缺少对涂层、表面的牢固性以及耐久性进行深入研究。综上所述，可以初步得出以下结论：1）亲水性涂层材料在结霜初期具有较好的抑霜效果，其抑霜能力随着霜层厚度的增加、时间的增长而逐渐下降，且在恶劣工况下的抑霜效果不明显。亲水性涂层材料抑霜技术在制冷领域的实用化进程仍有待于进一步的技术突破；2）疏水性表面在低温环境下能产生一定的抑制结霜作用，但抑霜效果也是局限于结霜初始阶段，对霜层生长期的影响不大。而且疏水性表面制备过程繁琐，未能批量生产。疏水性表面抑霜技术具有一定的局限性。3）综合而言，亲水性表面相对于疏水性表面，可能更适用于温度环境始终维持在低温、低湿下的换热器。而疏水性涂层则可能更适用于高温、高湿的工况。

[1] 姜益强，柴永金，姚杨. 延缓空气源热泵机组结霜的研究现状与进展.制冷与空调，2009，23（1）：1-5.

[2] 杨剑.抑制结霜的实验研究和霜层生长的模拟与预测.东南大学. 2006.

[3]E.U.Okoroafor.M.Newborough.Minimising Frost Growth on Cold Surfaee ExPosed to Humid Air by Means of Crosslinked Hydro Philie Poleric Coatings.APPlied Thermal Engineering，2000，(20):737一758.

[4]刘凤珍，陈焕新.降低结霜速率问题的研究.长沙铁道学院学报，2000，18(3):49一51.

[5]CN 101307208A 高疏水性防结冰及防结霜涂料及其制备方法 中国科学院化学研究所.

[6]张新华，刘中良，王皆腾.自然对流下含纳米SiO2涂层表面抑霜研究，工程热物理学报，2006.

[7]勾星君，表面特性对自然对流条件下冷平板上结霜过程影响的实验研究，北京工业大学硕士论文，2007.

[8] 刘中良，黄玲艳，勾昱君.结霜现象及抑霜技术的研究进展.2010 制冷学报，31（4）：1-13.

[9] 蔡亮，侯普秀，杨剑.吸水性涂层在霜层生长初期的抑霜.江苏大学学报.2008.（3）29：227-230.

[10] 黄静，岳丹婷. 高疏水性空冷器性能的试验研究.制冷与空调，2003.3（2）：62-94.

[11]李杰,张会臣,连峰.基于激光加工和自组装技术硅基底超疏水表面的制备.功能材料.2010.9（4）：1618-1622.

[12] 王跃河.纳米超疏水技术在制冷领域中的应用研究[J].研究探讨，2006( 10): 40- 42.

[13]勾星君，刘中良.表面特性对自然对流条件下冷平板上结霜过程影响的实验研究仁D〕.北京:北京工业大学，2007.

[14] 周艳艳.铝基超疏水表面抗结霜结冰特性研究.大连理工大学.2010.

[15] 郭春芳.超疏水性材料的研究现状及应用.材料研究及应用，2010（3）：161-163.