技术领域
[0001] 本
发明属于高效冷凝换热管制备领域，涉及一种实现冷凝金属换热管超疏水的涂层的制备方法及冷凝换热管。
背景技术
[0002] 超疏水是指水滴在材料表面上的
接触角大于150°而滚动角小于10°。超疏水表面因其优异的自清洁抗玷污、高效的滴状冷凝
传热系数、抗结
冰结霜等性能，在诸如光伏板表面、
蒸汽高效冷凝、
空调热交换、高压电线表面、防
水电子器件等各方面有着极其广泛的应用前景。
[0003] 理论研究表明，具有最低表面自由能的绝对光滑固体表面与水的接触角上限为119°，因此，研究人员常用的基于“荷叶效应”而在待处理表面实现超疏水的方法为：在待处理表面构建精细的微纳米结构；或者在待处理表面先构建低表面能物系涂层，再在其上构建微纳米结构。前一种方法中，疏水性能完全依赖于表面构建的微纳米结构，然而，微纳米结构因其自身精细的结构因素，无法保证有足够的强度来满足工业应用的需求，且一旦微纳米结构被破坏，则疏水性能立刻消失。研究表明，对本身疏水的表面，越粗糙则越疏水，而对本身亲水的表面，越粗糙则越亲水；因此，表面疏水性会直接从超疏水蜕变成亲水，一般并不会有超疏水到疏水再到亲水的过渡，这种缺点也限制了该方式所构造的超疏水表面的工业化应用。在后一种方法中，精细的微纳米结构的脆弱性仍然存在，但是由于先行在基材表面构建了一层疏水材料，即便微纳米结构遭到破坏，超疏水性能也不会立刻衰退到亲水，因为低表面能物系的存在加上表面仍然会保留有一定的粗糙度；该方法有其自身的合理性，但是微纳米结构粗糙表面的不
稳定性仍然是阻碍其实现工业化的一大障碍。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对上述技术问题，提出一种实现冷凝换热管超疏水的涂层的制备方法，将有机
硅橡胶作为超疏水涂层材料的原料之一，在金属换热管表面实现超疏水的同时，确保由表面
二氧化硅粒子或其它功能粒子所构造的微纳米结构的稳定性，最终实现在换热管表面维持稳定的超疏水现象，以获得自清洁、抗玷污、自集水等功能，并提高蒸汽冷凝过程的热质传递效率。
[0005] 本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
[0006] 一种实现高效冷凝换热管超疏水的涂层的制备方法，包括：首先对换热管金属表面进行预处理，采用包括有机硅橡胶基胶的第一涂层材料对换热管
表面处理形成第一涂层，采用包括纳米
二氧化硅粒子的第二涂层材料在第一涂层表面形成第二涂层。
[0007] 所述的预处理包括：丙
酮或无水
乙醇超声波清洗、去离子水洗、
酸洗/
碱洗、去离子水洗、烘干。通过预处理促进换热管金属表面与底涂物系或有机硅体系之间的粘接强度。
[0008] 根据换热管的材质，选取不同的预处理方法：所述的换热管金属表面的材质为
铝材时，采用碱洗；所述的换热管金属表面的材质为
铁基材质时，采用酸洗。
[0009] 作为预处理的优选技术方案，预先对换热管金属表面进行
砂纸打磨
抛光。
[0010] 所述的第一涂层材料通过将
基础材料分散于分散介质制得的；所述的基础材料包括如下重量份的原料：有机硅橡胶基胶100份、交联剂或
偶联剂10-50份、纳米二氧化硅粒子5-30份、催化剂0.1-0.5份、功能助剂2-10份；基础材料与分散介质的重量比1:20-1:2，优选为1:4-1:2。所述的基础材料通过搅拌或
超声波等方式均匀分散在分散介质中，催化剂和
纳米粒子(纳米二氧化硅粒子、功能助剂采用的纳米粒子)先于偶联剂或交联剂加入体系。
[0011] 所述的有机硅橡胶基胶为单组分室温硫化硅橡胶，优选为脱醇型单组分室温硫化硅橡胶，进一步优选为分子量在500-30000的端羟基聚二甲基硅氧烷或低分子量(500≤分子量＜10000)端羟基聚二甲基硅氧烷与高分子量(10000≤分子量≤30000)端羟基聚二甲基硅氧烷按重量比1:1-10:1的复配，低分子量端羟基聚二甲基硅氧烷保证羟基浓度，高分子量端羟基聚二甲基硅氧烷保证涂层强度。
[0012] 第一涂层材料中，所述的纳米二氧化硅粒子为亲水性纳米二氧化硅粒子。
[0013] 所述的交联剂或偶联剂为硅烷偶联剂，所述的硅烷偶联剂为3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、苯胺甲基三乙氧基硅烷，优选为苯胺甲基三乙氧基硅烷。
[0014] 所述的分散介质为
有机溶剂；所述的
有机溶剂选自氯仿、丙酮、
钛酸四丁酯、乙酸丁酯、四氢呋喃、正庚烷等，优选为乙酸丁酯。
[0015] 根据所构建涂层所需的特定功能，所述的功能助剂选自以耐热为导向的功能助剂、以导热为导向的功能助剂或以增强粘接性为导向的功能助剂等中的一种或两种以上的组合。所述的以耐热为导向的功能助剂选自纳米氧化铁红、二氧化钛、
石墨、
碳纳米管、纳米氧化铝等中的至少一种；所述的以导热为导向的功能助剂选自纳米碳化硅、氮化铝、氮化
硼、氮化硅、石墨、
碳纳米管等中的至少一种；所述的以粘接性增强为导向的功能助剂选自乙烯基三叔丁基过氧硅烷(VTPS)。
[0016] 所述的第一涂层为有机硅橡胶体系涂层。
[0017] 所述的第二涂层材料为固含量1％-20％的纳米二氧化硅粒子水分散液。所述的纳米二氧化硅粒子为原有亲水性纳米二氧化硅粒子或经十七氟癸基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂AC-FAS)改性处理后的疏水性纳米二氧化硅粒子，优选为疏水性纳米二氧化硅粒子。采用亲水性纳米二氧化硅粒子时，需保证粒子充分分散，且在
喷涂操作前不发生粒子的沉降；采用疏性纳米二氧化硅水粒子时，在纳米二氧化硅粒子水分散液中加入0.5％-1％的
表面活性剂使粒子与水相融合，所述的表面活性剂优选十二烷基苯磺酸钠。
[0018] 本发明利用压缩空气
喷枪喷涂法将第一涂层材料和第二涂层材料喷涂到经预处理的换热管金属表面上，喷涂时，喷枪与待喷涂换热管金属表面的间距保持在10-30cm，喷枪移动速度在10-20cm/s；全部操作完成后，在室温、敞开环境下静置48小时以上，使涂层自然晾干、硫化。
[0019] 第一涂层喷涂3-5层，第二涂层喷涂1-2层；无传热需求时，第一涂层厚度可适当增大，但不得超过1mm，此时也可以采用液体自流平-分子自组装的方式将材料处理到金属表面。
[0020] 本发明分两次喷涂，以第一涂层为底漆，第一涂层性能稳定，粘接性强，表面能低；第二涂层相当于面漆，用于构建表面粗糙度；低表面能和粗糙度共同实现超疏水。
[0021] 作为所述的实现高效冷凝换热管超疏水的涂层的制备方法的优选技术方案，按GB/T 9286-1998《色漆和
清漆漆膜的划格试验》中规定的0级附着标准判定金属材质与涂层间的粘接强度特征，涂层经划格试验达不到0级附着标准，为了使换热管金属表面和涂层间的耦合连接更加牢固，对经过预处理的换热管金属表面进行底涂处理；涂层经划格试验达到0级附着标准，换热管金属表面不进行底涂处理。所述的底涂处理：以硅烷偶联剂为底涂物，与有机
锡催化剂配制成底涂剂，用压缩空气喷涂法将底涂剂喷涂到经预处理的换热管金属表面上，喷涂时，喷枪与金属表面间的距离保持在10-30cm，移动速度10-20cm/s，喷涂1-3层，喷涂后，在空气中静置10-60分钟或者在敞开的环境中用热
风烘干。
[0022] 所述的底涂剂的配制方法为：采用有机溶剂配制硅烷偶联剂溶液，再加入有机锡催化剂，充分搅拌混合均匀，即得。所述的底涂剂中硅烷偶联剂的
质量百分含量为10％-30％，有机锡催化剂的质量百分含量为0.5％-5％。
[0023] 所述的硅烷偶联剂为3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、苯胺甲基三乙氧基硅烷，优选为苯胺甲基三乙氧基硅烷。
[0024] 所述的有机溶剂为无水乙醇、
甲苯或丙酮。
[0025] 所述的有机锡催化剂为二月桂酸二丁基锡或二月桂酸二正辛基锡。
[0026] 本发明的另一个目的是提供一种冷凝换热管，通过对金属换热管进行表面超疏水涂层处理得到：对冷凝换热管的金属表面进行预处理，然后采用包括有机硅橡胶基胶的第一涂层材料在金属表面形成第一涂层，采用包括纳米二氧化硅粒子的第二涂层材料在第一涂层表面形成第二涂层。
[0027] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0028] (1)、纳米二氧化硅粒子和纳米功能助剂粒子耦合作用，增强所构建硅橡胶体系涂层的强度，同时功能助剂纳米粒子能够协助纳米二氧化硅粒子，增强换热管涂层表面由纳米粒子所构建的微纳米结构的稳定性；
[0029] (2)、能够同时将高分子有机硅橡胶所具有的低表面能、较强金属粘结性、自身耐候性强、环保级别高、透气(避免鼓包)、耐磨、耐湿热环境等特点完整的转移到所构建的涂层材料上，且纳米粒子功能助剂的加入能够提升超疏水涂层的耐温导热性能，拓宽涂层的工业化应用场合，能够在300℃以下的
温度下长时间使用；
[0030] (3)、借助有机硅橡胶体系自身的低表面能特点，及一次喷涂所含纳米粒子带来的表面粗糙度和二次喷涂所用疏水纳米粒子带来的低表面能与粗糙度，共同作用实现超疏水；而二次喷涂纳米粒子在表面处于半包裹的状态显著的增强了高效冷凝换热管表面超疏水的稳定性，从而增强了换热管的自清洁、抗玷污、自集水等功能并提升在蒸汽冷凝方面的热质传递效率。
[0031] (4)、同时有机硅橡胶体系生产操作简单、应用成熟、经济性好的特点同样能够转移到当前超疏水涂层的制备工艺过程中。
附图说明
[0032] 图1是本发明一种在高效冷凝换热管表面实现超疏水的涂层的制备方法的工艺
流程图。
[0033] 图2是本发明超疏水表面实物图。
[0034] 图3是本发明超疏水表面所能达到的接触角。
具体实施方式
[0035] 结合高分子有机硅体系的低表面能性，考虑纳米二氧化硅粒子作为常用的表面微纳米结构构造物系，同时其又是硅橡胶体系的主要的补强添加材料，本发明拟将有机硅橡胶的相关概念及制造工艺引入到制备高效冷凝换热管超疏水涂层的方法当中。
[0036] 结合具体
实施例和附图，对本发明的技术方案做详细说明。
[0037] 实施例1
[0038] 以铝管作为换热管基材，在铝管表面构建超疏水涂层，工艺流程如图1所示：
[0039] 进行铝管表面预处理：将铝管放置在无水乙醇中，用超声波装置超声清洗10分钟；用去离子冲洗干净，烘干；再将铝管浸入80℃、0.3mol/L的NaOH溶液中，放置200秒；用去离子水冲洗，烘干。氢氧化钠不仅与铝管表面形成的致密氧化铝反应，消耗掉表面氧化层，有利于铝管表面活性羟基的生成，促进金属与底涂物系或有机硅体系之间的粘接强度，同时经化学反应在金属表面初步构建出一定的粗糙度，经过碱洗处理之后观察到金属表面较处理之前更加亲水(针对亲水表面，越粗糙，则越亲水)。
[0040] 底涂处理：配制质量分数为15％的苯胺甲基三乙氧基硅烷无水乙醇溶液，加入1％的二月桂酸二正辛基锡作为催化剂(二月桂酸二正辛基锡的质量分数为1％)，充分搅拌，得到底涂剂。采用压缩空气喷枪喷涂法将底涂剂喷涂到经表面预处理的铝管上，喷涂时，需确保喷枪与
基板间的距离15cm，喷枪移动速度15cm/s，喷涂2层，喷涂后在空气中静置30分钟。
[0041] 第一次喷涂处理：取分子量约为6000的端羟基聚二甲基硅氧烷100重量份、苯胺甲基三乙氧基硅烷35重量份、亲水性纳米二氧化硅粒子15重量份、二月桂酸二正辛基锡(催化剂)0.1重量份、纳米氧化铝5重量份、乙烯基三叔丁基过氧硅烷2重量份、乙酸丁酯600重量份，投料顺序：端羟基聚二甲基硅氧烷、催化剂和多种纳米粒子先于苯胺甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三叔丁基过氧硅烷加入乙酸丁酯中，充分搅拌确保分散均匀后，再加入偶联剂/交联剂，充分搅拌，配制成第一涂层材料。利用压缩空气喷枪喷涂法将第一涂层材料喷涂到经底涂处理的铝管表面上，喷涂中，确保喷枪与待喷铝管间的间距保持在15cm，喷枪移动速度在15cm/s，喷涂4层。
[0042] 第二次喷涂处理：配制固含量为10％的经十七氟癸基三乙氧基硅烷改性处理的疏水性纳米二氧化硅粒子水分散液，在分散液中加入1％的十二烷基苯磺酸钠，分散均匀，得到第二涂层材料。采用压缩空气喷枪喷涂法将第二涂层材料喷涂到经过一次喷涂的涂层表面，二次喷涂紧接着一次喷涂操作，喷涂中，确保喷枪与待喷铝管间的间距保持在10cm，喷枪移动速度在10cm/s，喷涂1层。
[0043] 喷涂后，在室温、敞开环境下静置48小时以上，使涂层自然晾干、硫化。
[0044] 接触角测量；测量处理后的铝管金属表面的接触角，实物图及代表性测量结果如图2、图3所示。铝管表面与水的接触角的平均水平约为153.4°，滚动角小于10°，实现超疏水。
[0045] 实施例2
[0046] 以铝管作为换热管基材，按照图1所示流程在其表面构建超疏水涂层。预处理过程同实施例1。
[0047] 底涂处理：配制质量分数为20％的苯胺甲基三乙氧基硅烷无水乙醇溶液，加入2％的二月桂酸二正辛基锡作为催化剂(二月桂酸二正辛基锡的质量分数为2％)，充分搅拌，得到底涂剂。采用压缩空气喷枪喷涂法将底涂剂喷涂到经表面预处理的铝管上。喷涂时，需确保喷枪与基板间的距离20cm，喷枪移动速度20cm/s，喷涂3层，喷涂后在敞开的环境中静置晾干。
[0048] 第一次喷涂处理：取分子量约为3000的端羟基聚二甲基硅氧烷60重量份、分子量约为15000的端羟基聚二甲基硅氧烷40重量份、苯胺甲基三乙氧基硅烷25重量份、亲水性纳米二氧化硅粒子20重量份、二月桂酸二正辛基锡(催化剂)0.2重量份、纳米氧化铝2重量份、羟基化碳纳米管3重量份、乙烯基三叔丁基过氧硅烷3重量份、乙酸丁酯650重量份，投料顺序：两种分子量的端羟基聚二甲基硅氧烷、亲水纳米二氧化硅、纳米氧化铝、羟基化碳纳米管、乙烯基三叔丁基过氧硅烷、催化剂加入乙酸丁酯中，充分搅拌确保分散均匀后，再加入偶联剂/交联剂，充分搅拌，配制成第一涂层材料。利用压缩空气喷枪喷涂法将第一涂层材料喷涂到经底涂处理的铝管表面上。喷涂中，确保喷枪与待喷铝管间的间距保持在20cm，喷枪移动速度在20cm/s，喷涂5层。
[0049] 第二次喷涂处理：配制固含量为15％的亲水性纳米二氧化硅粒子水分散液，充分搅拌分散均匀，得到第二涂层材料。采用压缩空气喷枪喷涂法将第二涂层材料喷涂到经过一次喷涂的涂层表面，二次喷涂紧接着一次喷涂操作，喷涂中，确保喷枪与待喷铝管间的间距保持在20cm，喷枪移动速度在20cm/s，喷涂2层。
[0050] 喷涂后，在室温、敞开环境下静置48小时以上，使涂层自然晾干、硫化。
[0051] 接触角测量结果显示，铝管表面与水的接触角的平均水平约为151.8°，同样实现超疏水。
[0052] 综上所述具体实施方式仅为本发明的两个实施例而已，并非因此用来限定本发明的实施范围。凡是依本发明
申请专利范围的内容所做等效变化及修饰，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应为本发明的技术范畴。
