[論文レビュー] Durable, Ultrathin, and Antifouling Polymer Brush Coating for Efficient Condensation Heat Transfer

Шуай Ли, Cheuk Wing Edmond Lam+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2023

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 68被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、銅上に耐久性があり超薄膜（約6 nm）、フッ素フリーのポリジメチルオシロキサン（PDMS）ブラシ被膜を形成することで、フィルムワイズ凝縮よりも5–7倍高い熱伝達係数を実現する効率的なドロップワイズ凝縮を可能にする。被膜は111 °C、3 m·s⁻¹の高温度蒸気条件下でも最大8時間にわたり性能を維持し、接触角ヒステリシスが低い（<10°）、細菌付着が99%低減され、スケーラブルかつ環境に優しい。

ABSTRACT

Heat exchangers are made of metals because of their high heat conductivity and mechanical stability. Metal surfaces are inherently hydrophilic, leading to inefficient filmwise condensation. It is still a challenge to coat these metal surfaces with a durable, robust and thin hydrophobic layer, which is required for efficient dropwise condensation. Here, we report the non-structured and ultrathin (~6 nm) polydimethylsiloxane (PDMS) brushes on copper that sustain high-performing dropwise condensation in high supersaturation. Due to the flexible hydrophobic siloxane polymer chains, the coating has low resistance to drop sliding and excellent chemical stability. The PDMS brushes can sustain dropwise condensation for up to ~8 h during exposure to 111 °C saturated steam flowing at 3 m/s, with a 5-7 times higher heat transfer coefficient compared to filmwise condensation. The surface is self-cleaning and can reduce bacterial attachment by 99%. This low-cost, facile, fluorine-free, and scalable method is suitable for a great variety of condensation heat transfer applications.

研究の動機と目的

• 金属表面に耐久性があり、超薄膜かつ防汚性を有する疎水性被膜を開発し、効率的なドロップワイズ凝縮を可能にすること。
• フッ素含有ポリマー由来の環境毒性や、高熱抵抗性・耐久性の不足といった既存被膜の限界を克服すること。
• 高温度・高蒸気速度といった過酷な条件下でも劣化や疎水性の喪失なしに、高性能な凝縮を維持すること。
• 自己清掃性および防汚性を備え、バイオフィューリングを防止し、長期にわたり熱伝達効率を維持すること。
• スーパーヒドロフォビックおよび潤滑油インジェクション型表面の代替として、スケーラブルかつ低コストかつ環境に優しい選択肢を提供すること。

提案手法

• プラズマ強化化学気相蒸着（PECVD）を用いて銅基板に超薄膜PDMSブラシ（約6 nm）をグリオキシル化し、その後熱処理による硬化を施す。
• 強力な共有結合性Si–O–Cu結合を形成することで、被膜の強固な接着性と機械的安定性を確保する。
• 微小・ナノスケールの粗さを避けるため、構造のない滑らかな表面形状を採用し、高過飽和状態でWenzel状態に移行するのを防ぐ。
• 圧力変動（30 mbar から 1.4 bar）の条件下で蒸気凝縮を実施し、リアルタイムでの熱伝達係数と過冷度のモニタリングにより熱伝達性能を測定する。
• 大腸菌（E. coli、3×10⁶ CFU/mL）を含む懸濁液に表面を露出させ、付着低減度を定量的に評価することで防汚性能を評価する。
• 111 °Cの飽和蒸気に3 m·s⁻¹の流れで最大8時間にわたり連続暴露し、凝縮挙動および熱伝達の継続的モニタリングにより耐久性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄膜で共有結合性に接続されたPDMSブラシ被膜は、高温度・高流量蒸気条件下でも安定したドロップワイズ凝縮を維持できるか？
• RQ2 PDMSブラシ被膜の熱抵抗は、従来のスーパーヒドロフォビックおよび潤滑油インジェクション型被膜と比較してどのように異なるか？
• RQ3 PDMSブラシ被膜は、凝縮環境下で細菌付着およびバイオフィューイングに対してどの程度耐性を示すか？
• RQ4 被膜は長時間（例：8時間）にわたり劣化やフィルムワイズ凝縮への移行なしに疎水性および性能を維持できるか？
• RQ5 フッ素含有被膜と比較して、PDMSブラシ被膜はスケーラブルかつ低コストかつ環境に優しいと評価できるか？

主な発見

• PDMSブラシ被膜は、111 °Cの飽和蒸気、3 m·s⁻¹の流れ下で、フィルムワイズ凝縮と比較して熱伝達係数が5–7倍向上した。
• 被膜は劣化やフィルムワイズモードへの移行なしに、最大8時間にわたり安定したドロップワイズ凝縮を維持した。
• 接触角ヒステリシスが低い（<10°）ため、効率的なドロップレット剥離と連続的な核生成が可能となった。
• 未被膜銅と比較して細菌付着が99%低減され、強力な防汚特性を示した。
• チョーク粉およびチリソースによる繰り返し洗浄後も疎水性および性能を維持したため、自己清掃能力を確認した。
• 1 m²の銅板を被膜処理する総コストは9.43 USDと推定され、エネルギー消費量も低く、フッ素含有化学物質は使用しなかった。