《Materials Today Physics》：Superhydrophobic Cooling Coils with Uniformly Generated Micro/nanostructures for Enhanced Condensate Droplet Repellency
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本研究开发了一种具有均匀微纳米结构的超级亲水冷却管，通过优化化学蚀刻浓度和时间，解决了传统冷却管在冷凝过程中出现的液膜形成、局部润湿及积水问题，显著提升了热湿性能，并首次实现了大尺寸冷却管的规模化处理。
魏彤|Leymus Yong Xiang Lum|赵焕宇|王旭文|金耀浩
新加坡南洋理工大学机械与航空航天工程学院，新加坡639798
摘要
尽管超疏水冷却盘管技术取得了进展，但在空调系统中仍然经常出现冷凝水排放延迟和积水等挑战。本文开发了一种具有均匀生成微纳结构的超疏水冷却盘管。我们的方法能够对尺寸为25 × 24 × 9厘米或更大的6061铝合金冷却盘管进行可扩展的处理，包括那些几何形状不规则的盘管。据我们所知，这是首次系统性地研究在大型超疏水冷却盘管上均匀生成微纳结构，且不存在未蚀刻区域。这些均匀的微纳结构防止了纳米级的Wenzel润湿状态的形成，并利用鳍片间距将自排斥作用下的最大冷凝水滴直径限制在1毫米以内，从而最大限度地降低了积水风险。我们证明，在潮湿空气的大气冷凝过程中，这种盘管可以持续且完全地排斥冷凝水滴长达6小时。这种方法具有很强的潜力，可以集成到空调系统中，以提高除湿效果和整体热流体性能。
引言
水蒸气凝结是一种从气态到液态的相变过程，当表面温度降至空气的露点以下时发生，通常由表面冷却和环境空气温度降低引发。这种现象在工业系统中很常见[1]、[2]、[3]，如果控制不当，可能会引入严重的运行问题。例如，在空调系统中，冷却盘管上形成冷凝水是一个常见问题。然而，不适当的冷凝水管理可能导致不希望出现的积水、腐蚀、霉菌和细菌生长，从而降低冷却盘管的性能[4]、[5]。解决这些问题对于确保空调系统的可靠运行和延长其使用寿命非常重要。
冷却盘管不仅在为空间降温和提供热舒适度方面发挥着关键作用，还通过去除异味、抑制微生物生长以及支持更健康的室内环境来维护室内空气质量[6]、[7]、[8]、[9]。传统的冷却盘管通常是板式鳍片-管式热交换器，由薄铝板通过铜管或铝管束强力固定而成。由于这些材料的表面能较高[10]、[11]、[12]，它们本质上是亲水的。因此，冷凝水倾向于在鳍片和管表面形成连续的液膜。这种膜状凝结模式[13]、[14]、[15]是不希望出现的，因为液膜会在冷却表面和环境空气之间引入显著的热阻，降低传热效率并降低冷却盘管的整体性能。此外，冷凝水在相邻鳍片之间形成桥接会进一步阻碍性能，增加气流阻力并阻塞传热表面[16]、[17]。相比之下，超疏水表面促进了更有利的凝结行为[18]、[19]、[20]、[21]。由于其高疏水性，冷凝水滴可以通过释放表面能[22]、[23]、[24]克服重力而聚集并从冷却表面自行脱落。这种被动的水滴脱落机制不仅保持了盘管表面的干燥，从而减少了污染和微生物生长，还降低了液体的热障。因此，预计冷却盘管的除湿效率和整体热流体性能将得到显著提升。
在各种超疏水表面制备技术[26]、[27]中，如光刻[28]、电化学[29]、激光纹理化[30]、模板法[31]和原位生长[32]中，化学蚀刻与一步低表面能改性的结合[33]被认为是最有效、最具成本效益且适用于大规模应用的方法。通过将铝材浸入酸性溶液[34]、[35]进行化学蚀刻以生成微结构，可以优先腐蚀晶界和表面缺陷，从而生成微/纳米级的凹坑和凸起，这对于实现超疏水性至关重要。蚀刻剂的选择、浓度、温度和蚀刻时间直接影响生成结构的表面形态和均匀性。尽管超疏水冷却盘管研究取得了许多进展，但冷凝水滴的脱落行为仍然不稳定，有些水滴无法有效脱落，这可能导致水分逐渐积累并降低传热性能[36]、[37]、[38]。这个问题通常是由于局部纳米级润湿状态引起的，即某些表面区域由于微纳结构形成的不均匀性或缺陷而无法完全排斥冷凝水。在这些有缺陷的区域，冷凝水会渗透到表面，导致Wenzel润湿状态，增加水滴的附着力。这种类似积水的润湿现象的主要原因是存在未蚀刻或纹理化不良的区域，这是当前用于制造超疏水表面的化学蚀刻方法中很少考虑的因素。冷凝水在鳍片上的积聚会阻塞气流通道，增加空气侧的压力降并提高风扇功耗。在低于零度的环境中运行时，冷凝水可能会提前冻结，在冷却盘管表面形成霜冻和冰层，进一步降低传热效率和系统可靠性[39]、[40]、[41]、[42]。
在本研究中，我们优化了蚀刻浓度和时间，以在尺寸为25 × 24 × 9厘米的全尺寸冷却盘管上均匀生成微纳结构。经过大气化学气相沉积（CVD）表面处理后，处理过的盘管表现出优异的超疏水性和冷凝水排斥性。我们证明，新开发的超疏水冷却盘管在高度潮湿空气的大气冷凝过程中可以持续且完全地排斥冷凝水滴长达6小时。更重要的是，观察到的最大冷凝水滴直径被限制在大约1毫米以内，远低于水的毛细长度2.7毫米，这强烈表明水滴脱落机制主要是由聚集引起的跳跃而不是重力作用。据我们所知，这是首次报道的大规模超疏水冷却盘管制备，其中均匀的微/纳米结构化过程得到了优化，从而消除了未蚀刻区域，防止了局部Wenzel润湿状态的形成。
材料
盐酸（HCl）和甲苯购自Sigma-Aldrich。十七氟-1,1,2,2-四氢十二基三甲氧基硅烷（HTMS）购自Gelest（CAS号83048-65-1）。使用传统的6061铝合金冷却盘管作为表面处理的目标材料。
超疏水冷却盘管的制备
未经任何预处理的铝合金冷却盘管样品首先经过两步蚀刻过程。首先使用含有2M HCl的高浓度蚀刻剂对冷却盘管进行蚀刻
结果与讨论
这种方法具有很强的潜力，可以集成到空调系统中，以提高除湿效果和整体热流体性能。如图3(a, b)所示，使用尺寸为25 × 24 × 9厘米（包括固定支架）的传统板式鳍片-管式冷却盘管作为目标处理材料。每个圆形管子的长度为100毫米，外径为12.7毫米，壁厚为1毫米。
结论
使用直接蚀刻和CVD技术制备了具有均匀生成微纳结构的超疏水冷却盘管。可以对尺寸为25 × 24 × 9厘米或更大的不规则形状的铝合金冷却盘管进行超疏水处理。到目前为止，我们的团队是第一个报告制备出没有任何未蚀刻区域的大规模超疏水冷却盘管的团队，这些盘管可以快速应用于室内热泵的除湿系统。结果
作者贡献声明
金耀浩：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念构思。魏彤：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、研究、正式分析、概念构思。Leymus Yong Xiang Lum：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、概念构思。赵焕宇：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件使用、资源管理、方法论。王旭文：撰写 – 审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
数据可用性
数据可根据请求提供。
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：金耀浩、魏彤、王旭文报告称获得了新加坡建筑与建设局（BCA）的财务支持。魏彤、Leymus Yong Xiang Lum、赵焕宇、王旭文、Teck Neng Wong、金耀浩拥有超疏水冷却盘管的超大规模低成本制造工艺的专利开发
致谢
J.Y. Ho衷心感谢新加坡建筑与建设局（BCA）在绿色建筑创新集群（GIBC）2.0主题挑战计划下提供的财务支持。W. Tong感谢江苏大学的Zhen Wu博士进行了本文中报告的X射线光电子能谱（XPS）分析，并提供了扫描电子显微镜（SEM）设施的使用权。作者还感谢分析设施的支持，
