超疏水表面具有廣泛的基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用潛力。一種典型的應(yīng)用是使用超疏水涂層的自清潔功能來實(shí)現(xiàn)防污目的，利用了超疏水表面上水滴滾動(dòng)角較小，在下雨時(shí)灰塵顆粒很容易被帶走，主要應(yīng)用于太陽能、汽車制造（表面和窗玻璃）和建筑領(lǐng)域。同時(shí)，超疏水薄膜上液滴接觸角大，接觸面積小，因此通常也具有抗腐蝕能力，可以避免或明顯減少酸性或堿性液體的腐蝕，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

基于其獨(dú)特的防水性能，超疏水表面的另一個(gè)潛在應(yīng)用是利用它們來減少表面的積雪或積冰，甚至完全防止固體表面上的覆冰。電力行業(yè)中每年都有因輸電線路的絕緣子在大氣環(huán)境下的覆冰導(dǎo)致絕緣性能受到影響的報(bào)道，導(dǎo)致不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

大量研究報(bào)道，在超疏水表面可以實(shí)現(xiàn)冰粘附的明顯減少，有助于冰的脫落。近幾十年來，基于Cassie-Baxter和Wenzel理論開發(fā)出了先進(jìn)的疏水性表面，包括化學(xué)蝕刻、溶膠-凝膠技術(shù)、噴涂和等離子體處理。

在這些方法中，等離子體技術(shù)已被證明是一種非常有前景的處理方法，其利用氣體放電產(chǎn)生高反應(yīng)性等離子體物質(zhì)來改變各種基質(zhì)的化學(xué)組成和形態(tài)。大氣壓等離子體作為用于制備超疏水表面的多種等離子體源之一，由于其不需要低壓等離子體昂貴的真空系統(tǒng)，操作方便，處理快速，有利于大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)而被廣泛研究。

目前已經(jīng)有研究使用不同的低成本等離子設(shè)備用于表面改性，這些設(shè)備由各種電源驅(qū)動(dòng)，包括kHz交流（AC）電源或脈沖直流源（DC），以及MHz射頻（RF）和GHz微波源，多采用介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)（Dielectric Barrier Discharge, DBD）。

Ma W. 和Yang S. H. 等利用大氣壓等離子體聚合等方法在樣品表面沉積低表面能的CFx和CHx基團(tuán)或粗糙度高的有機(jī)硅聚合物，成功制備出水接觸角超過150°，同時(shí)具有較低的滾動(dòng)角的超疏水表面。雖然已有等離子體聚合沉積超疏水薄膜的大量研究，但是將其應(yīng)用在延緩結(jié)冰及其防冰效果方面的實(shí)驗(yàn)工作較少。

基于上述問題，本文利用大氣壓下介質(zhì)阻擋放電制備超疏水表面，并測(cè)試其在低溫低濕度環(huán)境下的防冰和抑霜能力。

圖1 大氣壓等離子體制備超疏水薄膜裝置圖

圖2 放電實(shí)物圖

圖3 半導(dǎo)體制冷裝置

結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了大氣壓等離子體氣相沉積裝置，采用介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)，能夠低成本方便快捷地制備超疏水薄膜；在玻璃基底上成功制備出了超疏水表面，單體流量為20sccm時(shí)，靜態(tài)接觸角達(dá)到171.4°，滾動(dòng)角低于2°；在功率不變的情況下，加大單體含量會(huì)導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)不均勻，成膜質(zhì)量變差，以致滾動(dòng)角增大直至失去超疏水性。

2）在-2℃的低溫環(huán)境中，與未處理的裸玻璃板相比，制備的超疏水玻璃表面能夠顯著延長(zhǎng)靜態(tài)冷卻水滴的冷凍過程，結(jié)冰時(shí)間延長(zhǎng)至3倍以上；當(dāng)平臺(tái)具有傾斜度時(shí)，水滴滾走從而不會(huì)在樣品表面出現(xiàn)大面積覆冰；同時(shí)低溫下結(jié)霜試驗(yàn)表明，制備的超疏水薄膜由于μm～nm級(jí)的表面粗糙結(jié)構(gòu)，低溫條件下展現(xiàn)了良好的抑制結(jié)霜性能。