[发明专利]用于滴状冷凝的接枝聚合物表面和相关使用及生产方法

说明书

发明领域

本发明通常涉及接枝聚合物表面及其增强传热、改进滴状冷凝和/或降低液体和固体对其的粘附性的用途。

相关申请

本申请要求2013年9月10日提交的美国临时专利申请61/876,195号、2013年9月6日提交的美国临时专利申请61/874,941号和2013年2月15日提交的美国临时专利申请61/765,679号的优先权和权益，这些专利申请的内容在此通过引用整体结合到本文中来。

政府支持

本发明是在NSFGRFP的政府基金支持和NSFCareer颁发的ECS-0335765号的支持下完成。该研究部分地在由U.S.ArmyResearchOffice在合同W911NF-13-D-0001下部分地支持的InstituteforSoldierNanotechnologies(ISN)进行。美国政府对本发明具有一定的权利。

发明背景

如果将表面冷却到在指定压力下的饱和温度以下，蒸气会在该表面上冷凝。冷凝的液相可作为膜或作为液滴或液体岛聚积在表面上。冷凝在许多工业应用中是关键的，不过在某些应用中，其可用于通过促进液滴脱落和增强滴状冷凝而抑制或防止冷凝液体在表面上膜状积累。

水冷凝是在包括发电和脱盐的许多工业中的关键工艺。全世界上大约85％的全球安装基地的发电成套设备和50％的脱盐成套设备依赖蒸汽表面冷凝器，其为一种类型的换热器，其中流动冷却剂的多个管在其外表面上接触蒸汽。鉴于该广泛分布范围，这些工艺即使在循环效率方面的略微改善也将对全球能源消耗具有显著影响。

冷凝器的传热性能的一种有用量度为传热系数，定义为通量/面积，单位为kW/m²K。在以液滴模式冷凝时经历的传热系数具有大于在以膜状模式冷凝时的那些传热系数的数量级。在膜状冷凝期间绝热液体膜的存在提供传热的显著热障，而在滴状冷凝期间离散液滴的脱离将冷凝表面暴露于蒸气。在滴状冷凝期间经历的较高传热系数使其在例如蒸汽发电成套设备和脱盐成套设备的大规模热流体应用以及例如电子仪器冷却的小面积高热通量应用中采用具有吸引力。然而，滴状冷凝在发电、脱盐及其他应用中的实际实施具有受尤其是现有疏水官能对于金属传热表面的耐受性的因素限制的显著材料挑战。虽然金属提供使传热最大化的高导热率和使对于结构支撑的需要最小化的高拉伸强度两者，但金属通常被水和大多数其他热流体润湿，且因此金属表现出膜状冷凝。为了使金属表面表现出所需滴状冷凝，必须使用于传热的表面改性。在发生传热的金属表面上实现滴状冷凝的一种方法是用疏水涂层使金属表面改性。

先前已经采用许多传统技术来促进在表面上的滴状冷凝，包括使用例如油酸和硬脂酸(美国专利2,919,115号)、贵金属(美国专利3,289,753号和美国专利3,289,754号及U.S.3,305,007)、离子植入的金属(美国专利6,428,863号)的单层助催化剂以及经由溅射或浸涂施用的聚合物的薄膜(美国专利2,923,640号、美国专利3,899,366号、EP2143818A1、美国专利3,466,189号)。然而，先前方法遭受例如低耐受性和/或高成本的问题。此外，这些疏水改性剂中的大多数且特别是已经在一些常规方法中使用的基于硅烷的改性剂在工业意义的蒸气环境中并不耐用(换句话说，这些改性剂经受不住使用它们的环境)。先前方法也没有充分地促进迅速液滴脱落，因为它们没有充分地减少接触角滞后。可以使表面具有高接触角以及高粘附性，因此，尽管冷凝将以滴状方案开始，但最终将进行到膜状冷凝，因为液滴不能容易地脱落。

此外，在冷凝液体为烃或其他低表面张力液体的情况下，膜状冷凝的问题加剧。对于水的滴状冷凝设计的当前表面并不促进例如正烷烃(例如，辛烷、己烷、庚烷、戊烷、丁烷)的低表面张力烃类液体和制冷剂(例如，氟烃、氯氟烃、氢氯氟烃)及低温液体(例如，LNG、O₂、N₂、CO₂、甲烷、丙烷)的滴状冷凝。

一些常规方法已经使用纳米织构表面来改进冷凝传热，然而，这些方法也依赖硅烷或硫醇改性剂来使纳米织构表面的润湿性从超亲水性改性到超疏水性，且因此这些纳米织构表面经受与上文论述相同的耐用性问题。另外，因为聚合材料的导热率通常具有小于典型金属基材的那些导热率的数量级，所以聚合物改性剂的厚度极其重要。因此，目前需要可施用在金属表面上以增强传热的超薄耐用疏水改性剂。

需要改进包括烃类液体的低表面张力液体的传热和/或滴状冷凝的方法及制品/装置。

发明概述