[发明专利]一种抗冷凝失效的铠甲化超疏水表面及其制备方法

说明书

本发明公开了一种抗冷凝失效的铠甲化超疏水表面及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：(1)硅基倒四棱锥微结构的制备；(2)纳米二氧化硅表面的制备；(3)铠甲化超疏水表面的制备；(4)铠甲化双亲表面的制备。本发明通过向纳米级超疏水表面引入连续微结构的设计，将导热、表面化学、固‑液粘附等影响冷凝的表界面性质差异耦合到同一表面，实现冷凝成核的高度空间选择性，保持纳米区域超疏水状态的长期稳定，提升超疏水表面的长效抗冷凝性能，使其在抗热蒸汽和抗热水方面的性能得到较大提升。

技术领域

本发明属于超疏水材料技术领域，具体涉及到一种抗冷凝失效的铠甲化超疏水表面及其制备方法。

背景技术

超疏水材料具有独特的固-液界面性质，液滴在其表面呈现出极低的粘附力(接触角＞150°，滚动角＜10°)，在排斥液体的同时亲和气体，使液体无法润湿表面却可保持气体通透，具有自清洁、保持干燥、减阻等功能，在工业、国防、生物医学等领域具有广阔的应用前景。然而在用于户外防污、高效集水器件、流体管道、冷凝器以及气体交换膜等具有高湿度，甚至是高过冷度的环境中时，超疏水材料的表面或结构内部会不可避免的发生气-液相变冷凝。理论上，超疏水材料实现超疏水性能往往需要借助粗糙结构和低表面能通过截留空气并托起液滴的方式创造固-液-气复合界面呈现Cassise-Baxter态，从而达到超疏水效果。所以超疏水材料表面的冷凝物如果不能及时排除，同时结构内部的空气逐渐被冷凝液滴代替，超疏水材料将难以托起液滴，表面将出现液体钉扎，Cassise-Baxter态失稳并逐渐向完全润湿的Wenzel态转变，该润湿性衍变过程不可逆，最终将导致表面彻底失去超疏水性。

近年来，传统的超疏水表面已被证明难以抵抗冷凝失效，甚至无法排斥热水。但一些研究人员发现可以通过合理的表面结构设计或者通过振动等外部能量输入的方式使超疏水材料抵抗冷凝失效的能力得到一定的提高。例如，纳米级尖锥形结构阵列组成的超疏水表面，在饱和蒸气压下测试其防雾性能，实验证明雾滴凝聚到该表面，其半径不到2微米就发生自弹跳，从而脱离材料表面，冷凝液滴难以长时间停留。表面具有纳米线的金字塔微结构的双亲表面将亲水位点和超疏水位点相结合，底部亲水，顶部超疏水，亲水区域的存在促进了液滴的成核和生长，超疏水区域促进了自发的液滴脱离而不残留在基体上，结构之间的协同合作直接促成了成核、聚结、分离和再成核的连续过程，从而达到一定时间的抗冷凝效果。机械振动也可被利用来克服从高粘度的Wenzel态向低粘附的Cassise-Baxter态转变的能垒，使超疏水表面获得一定程度上抗冷凝失效性能。然而，这些方法都具有很大的缺陷，对于纳米结构而言，随着过冷度的升高，冷凝成核半径将低于10nm，无法避免冷凝液滴在纳米结构中成核-生长-合并，串联形成液膜，引发泛洪。对于双亲表面而言，其主要被用提高相变传热性能，挡在一定程度上不利于液滴的排除，且表面在不含非冷凝性气体环境中的抗冷凝失效性能并未得到充分验证。通过振动的方式除去纳米级的液滴，首先需要消耗大量资源，不具有持续性，其次使用场景会因为振动装置而受到限制。

上述表明，解决因冷凝诱导超疏水性失效的问题存在着一定的难度：一方面，微/纳米结构是表面实现超疏水性的必要条件；一方面，高湿度、高温差环境下很难阻止微纳米结构空隙的气-液相变凝结。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗冷凝失效的铠甲化超疏水表面及其制备方法，通过向纳米级超疏水表面引入连续微结构的设计，将导热、表面化学、固-液粘附等影响冷凝的表界面性质差异耦合到同一表面，实现冷凝成核的高度空间选择性，保持纳米区域超疏水状态的长期稳定，提升超疏水表面的长效抗冷凝性能，使其在抗热蒸汽和抗热水方面的性能均能得到较大提升。

为达上述目的，本发明提供了一种抗冷凝失效的铠甲化超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

(1)硅基倒四棱锥微结构的制备

采用光刻和湿法刻蚀于基底上制备硅基倒四棱锥微结构；

(2)纳米二氧化硅表面的制备