[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究在铜表面制备了一种耐久、超薄（约6 nm）、无氟的聚二甲基硅氧烷（PDMS）刷状涂层，实现了高效的滴状冷凝，其传热系数比膜状冷凝高出5–7倍。该涂层在111 °C、3 m·s⁻¹的高温蒸汽环境下持续作用长达8小时仍保持性能稳定，接触角滞后极低（<10°），对细菌附着的抵抗率达99%，且具备可扩展性与环境友好性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种耐久、超薄且防污的疏水涂层，用于金属表面，以实现高效的滴状冷凝。
• 克服现有涂层的局限性，如高热阻、耐久性差以及环境毒性，特别是氟化聚合物带来的问题。
• 在恶劣条件（高温、高蒸汽流速）下实现高性能冷凝，且涂层不发生降解或疏水性丧失。
• 实现自清洁与防污性能，防止生物污垢形成，维持长期高效传热。
• 提供一种可扩展、低成本且环境可持续的替代方案，以取代超疏水及润滑剂浸渍表面。

提出的方法

• 通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）结合后续热固化，在铜基底上接枝超薄PDMS刷状结构（约6 nm）。
• 利用强共价Si–O–Cu键确保涂层的牢固附着与机械稳定性。
• 采用非结构化、光滑的表面形貌，避免因微/纳米粗糙度在高过饱和条件下受损或发生Wenzel状态转变。
• 通过在不同压力（30 mbar至1.4 bar）下实时监测传热系数与过冷度，测量蒸汽冷凝过程中的传热性能。
• 通过暴露于细菌悬浮液（大肠杆菌，3×10⁶ CFU/mL）并量化附着减少量，评估防污性能。
• 通过在111 °C饱和蒸汽中持续暴露长达8小时（流速3 m·s⁻¹），并持续监测冷凝行为与传热性能，评估涂层耐久性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超薄、共价键结合的PDMS刷状涂层是否能在高温、高流速蒸汽条件下维持稳定的滴状冷凝？
• RQ2 PDMS刷状涂层的热阻与传统超疏水及润滑剂浸渍涂层相比如何？
• RQ3 PDMS刷状涂层在冷凝环境中对细菌附着和生物污垢的抵抗程度如何？
• RQ4 该涂层是否能在长时间运行（如8小时）内保持疏水性与性能，而不发生降解或向膜状冷凝模式转变？
• RQ5 与氟化替代品相比，PDMS刷状涂层是否具备可扩展性、成本效益与环境可持续性？

主要发现

• 在111 °C饱和蒸汽、3 m·s⁻¹流速下，PDMS刷状涂层的传热系数比膜状冷凝高出5–7倍。
• 该涂层在长达8小时内持续保持稳定的滴状冷凝，未出现性能退化或向膜状冷凝模式转变。
• 涂层表现出极低的接触角滞后（<10°），有利于液滴高效脱落与持续成核。
• 与未涂层铜相比，细菌附着量减少了99%，展现出优异的防污性能。
• 经多次使用白垩粉与辣椒酱清洗后，涂层仍保持疏水性与性能，证实其具备自清洁能力。
• 涂覆1 m²铜板的总成本估算为9.43美元，能耗低，且未使用任何氟化化学品。