二氧化硅疏水涂層的水下減阻性能研究*

張維玨，熊黨生

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京210094）

二氧化硅疏水涂層的水下減阻性能研究*

張維玨，熊黨生

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京210094）

采用溶膠-凝膠法中的Werner St?ber方法制備二氧化硅顆粒，并添加于聚偏二氟乙烯中，噴涂在鋼片表面，制得類似荷葉表面結(jié)構(gòu)的疏水涂層。紅外光譜測試結(jié)果顯示，制備的二氧化硅顆粒純度較高，副產(chǎn)物少。X射線衍射結(jié)果表明，二氧化硅顆粒為無定形結(jié)構(gòu)。疏水涂層表面的掃描電鏡照片表明，表面顆粒形貌均一，分散性好，具有仿生微粗糙結(jié)構(gòu)。測得涂層水接觸角為133°。減阻測試結(jié)果表明，低雷諾數(shù)下，減阻率大大高于普通聚偏二氟乙烯樹脂，最高可達57.6%。減阻效果受二氧化硅顆粒用量的影響，2.5g聚偏二氟乙烯加入0.4g二氧化硅時減阻效果較好。

二氧化硅；疏水涂層；減阻

自然界中生物表面疏水的現(xiàn)象相當普遍，最典型的有以荷葉為代表的多種植物葉子的表面具有蓮葉效應(yīng)［1］。 江雷［2］研究發(fā)現(xiàn)，荷葉表面有序分布有平均直徑為5～9 μm的乳突，而且每個乳突表面分布有直徑約120 nm的絨毛。荷葉表面微米結(jié)構(gòu)的乳突上還存在有納米結(jié)構(gòu)，這種微米結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相互結(jié)合的層次結(jié)構(gòu)使得荷葉表面能較低，是引起荷葉表面疏水的根本原因［3］。

提高水下航行器航速的一個主要因素，就是使其在水下航行時的阻力減小。為了解決這個問題，研究人員采取各種措施，如不斷優(yōu)化水下航行器表面［4］。田軍等［5］通過對低表面能減阻涂層的減阻進行一系列的研究，提出低表面能減阻涂層的減阻機理：低表面能材料的表面有疏水性質(zhì)，使得物體的湍流邊界層增厚，層流向湍流轉(zhuǎn)捩點后移，從而降低了阻力。通過提高表面疏水性，降低表面能的方法來減阻，一直是減阻研究的活躍領(lǐng)域之一。采用溶膠-凝膠法中運用較廣的 Werner St?ber方法［6］制備 SiO2，添加于聚偏二氟乙烯涂層表面［7］，可形成類似于荷葉乳突的仿生結(jié)構(gòu)，從而進一步提高表面疏水性，降低表面能，實現(xiàn)表面減阻［8］。

1 實驗部分

1.1 涂層的制備

首先將正硅酸乙酯（TEOS，分析純）3 mL溶解于100 mL無水乙醇（分析純）配制成溶液，再將3 mL濃氨水（分析純）溶解于上述溶液中，繼續(xù)攪拌反應(yīng)22 h，在60℃真空干燥后得到SiO2顆粒。量取N，N-二甲基甲酰胺（DMF，分析純）40 mL、丁酮（MEF，分析純）10 mL混合，加入2.5 g聚偏二氟乙烯（PVDF，分析純），混合均勻后加入一定量SiO2顆粒，并加入5 mL硅烷偶聯(lián)劑KH570（分析純），加熱攪拌2 h后，將涂層噴涂于鋼片表面。

1.2 涂層表征

采用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，Tensor27）測定SiO2顆粒純度；采用X射線衍射儀（XRD，D8 ADVANCE）分析SiO2顆粒的結(jié)晶形態(tài)；采用掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-6380LV）觀察材料表面SiO2顆粒的形貌；采用水接觸角測試儀（JC2000X）測定涂層水接觸角。

1.3 轉(zhuǎn)盤式阻力測試

采用轉(zhuǎn)盤式流體摩擦阻力測試儀［9］測量涂層減阻效果。以未噴涂的普通鋼片表面阻力值為基準，計算并比較PVDF涂層和SiO2疏水涂層在不同雷諾數(shù)下的減阻率。減阻率（η）計算公式見式（1），雷諾數(shù)通過控制阻力測試儀調(diào)節(jié)。

式中：T0表示無涂層時受到的阻力矩；T1表示有涂層時受到的阻力矩。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR及XRD分析

圖1為SiO2顆粒FT-IR譜圖。圖1中3 440～3 450 cm-1附近較寬的吸收峰對應(yīng)于—OH的反對稱伸縮振動和對稱伸縮振動；1 090～1 100 cm-1處出現(xiàn)的強吸收譜帶歸屬于Si—O—Si的反對稱伸縮振動吸收峰；780～800 cm-1是二氧化硅中Si—O的特征峰；470 cm-1左右是二氧化硅中Si—O—Si的特征峰。紅外光譜分析得出，制備的SiO2顆粒純度較高，副產(chǎn)物少。

圖2是SiO2顆粒XRD譜圖。由圖2可以看出，在15～35°有一個寬峰，峰值在22°左右，說明制得的SiO2是無定形結(jié)構(gòu)。

2.2 SEM分析

圖3是SiO2疏水涂層SEM照片。從圖2可以看出，SiO2疏水涂層表面顆粒形貌均一，分散性好，沒有明顯的團聚，粒子直徑較?。ㄐ∮?00 nm），具有一定的仿生微粗糙結(jié)構(gòu)。

2.3 潤濕性能分析

圖4為鋼片表面（a）、PVDF涂層表面（b）及 SiO2疏水涂層表面（c）的水接觸角。較之親水的鋼片表面，PVDF涂層本身具有一定的疏水性，疏水角由44°提高到 94°。在 PVDF涂層中加入制備的 SiO2，涂層接觸角提高到133°。SiO2疏水涂層表面有類似于荷葉表面的微粗糙結(jié)構(gòu)，一方面減低了表面能，提高了疏水性；另一方面，根據(jù) Cassie 模型［10］，涂層表面微細的粗糙結(jié)構(gòu)在凹坑中有部分空氣存在，水滴類似于懸浮于“氣墊”上，氣液界面較大，水滴趨向于減少自身面積，接觸角進一步提高。

2.4 水下減阻結(jié)果

圖5為不同種類涂層減阻率與雷諾數(shù)的關(guān)系。由圖5可以看出，低雷諾數(shù)下，SiO2疏水涂層表現(xiàn)出大大優(yōu)于PVDF表面的減阻性能，減阻率平均為30%左右，最高達到37.1%，而PVDF涂層減阻率只有15%左右；繼續(xù)提高雷諾數(shù)，兩種涂層減阻率都有所下降，但SiO2疏水涂層的減阻率仍然高于PVDF；在高雷諾數(shù)下，即雷諾數(shù)大于5.6×105時，PVDF涂層基本不具有減阻效果，減阻率為負值，而SiO2疏水涂層仍然具有10.59%的減阻率。SiO2疏水涂層在各種流體狀態(tài)中都具有一定的減阻效果，在低雷諾數(shù)下表現(xiàn)更佳。SiO2疏水涂層與PVDF涂層比較，表面的微粗糙結(jié)構(gòu)使得疏水性更強，表面能更低，使得湍流邊界層增厚，層流向湍流轉(zhuǎn)捩點后移，從而降低了阻力，提高了減阻效果［11］。

按 SiO2顆粒加入量分別為 0.2、0.4、0.8 g（2.5 g PVDF）制得A、B、C 3組疏水涂層試樣，采用減阻實驗測試不同試樣的減阻效果，實驗結(jié)果見圖6。由圖6看出，疏水涂層在較低雷諾數(shù)下都具有減阻效果；試樣B減阻率最高可以達到57.6%，在不同流體狀態(tài)下，其減阻效果均優(yōu)于其他兩組樣品。SiO2顆粒用量較低的試樣A也具有一定的減阻效果，在低雷諾數(shù)下，減阻率最高達到38.2%，高雷諾數(shù)下減阻率則為負值。試樣B在低雷諾數(shù)下減阻效果較好，在高雷諾數(shù)下也能起到減阻作用，減阻率能達到10%左右。試樣C減阻效果較B有一定程度的下降。原因可能是，SiO2顆粒用量較低時，表面形成一定密度、稀疏的微粗糙結(jié)構(gòu)，一定程度上提高了減阻率；隨著SiO2顆粒用量的增加，表面微粗糙結(jié)構(gòu)變得致密，形成較好的疏水構(gòu)型，降低了表面能，減阻率明顯提高；當SiO2顆粒用量增加到一定限度之后，表面顆粒發(fā)生團聚，微粗糙結(jié)構(gòu)被破壞，反而使得減阻效果降低。

3 結(jié)論

采用溶膠-凝膠法中的Werner St?ber方法制備的SiO2顆粒純度較高，副產(chǎn)物少，具有無定形結(jié)構(gòu)。將其添加到PVDF樹脂制得SiO2涂層，噴涂鋼片表面形成形貌均一、分散性好的仿生微粗糙結(jié)構(gòu)。該涂層與水接觸角大于130°，具有較好的疏水性能。疏水的微粗糙結(jié)構(gòu)使得表面能更低，湍流邊界層增厚，層流向湍流轉(zhuǎn)捩點后移，從而降低了阻力，提高了減阻效果。SiO2疏水涂層減阻效果顯著優(yōu)于普通PVDF樹脂，低雷諾數(shù)下疏水涂層減阻率最高能達到57.6%。改變SiO2顆粒的用量，可以改變疏水涂層的減阻效果，其中，2.5 g PVDF加入0.4 g SiO2時減阻效果較好。

［1］Barthlott W.Neinhuis C.Purity of the sacred lotus，or escape from contaminationinbiologicalsurfaces［J］.Planta，1997，202（7）：1-8.

［2］江雷.從自然到仿生的超疏水納米界面材料［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2003（3）：60-62.

［3］Gu Z-Z，Uetsuka H，Takahashi K，et al.Structure color and the lotus effect［J］.Angew.Chem.Int.Ed.， 2003，42（8）：894-897.

［4］侯暉昌.減阻力學［M］.北京：科學出版社，1987：43-45.

［5］田軍，徐錦芬.低表面能涂層的減阻試驗研究［J］.水動力學研究與進展，1997，12（1）：27-32.

［6］Werner St?ber，Arthur Fink.Controlled growth of monodisperse silicaspheresinthemicrosizerange［J］.J.ColloidInterfaceSci.，1968，1968，26：62-69.

［7］Gao Haiyan，Shu Da，Wang Jun，et al.Manufacturing OFC with recycled copper by charcoal-filtration［J］.Mater.Lett.，2006，60（7）：481-484.

［8］Torgeir N，Morten T，Bo N.Effects of molar mass，concentration and thermodynamic conditions on polymer-induced flow drag reduction［J］.Eur.Polym.J.，2004，40（4）：181-186.

［9］南京理工大學.轉(zhuǎn)盤式流體摩擦阻力測試儀：中國，201285344［P］.2009-08-05.

［10］Cassie A，Baxter S.Wettability of porous surfaces［J］.Trans.Faraday Soc.，1944，40（3）：546-551.

［11］Moharmed G H.Compliant coating for drag reduction ［J］.Prog.Aerosp.Sci.，2002，38（3）：77-79.

Study on underwater drag reducing properties of SiO2hydrophobic coating

Zhang Weijue，Xiong Dangsheng
（School of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

SiO2particles prepared by the St?ber method，one sort of sol-gel method，was added to polyvinylidene fluoride（PVDF），so that the coating structure on the steel disc was similar to the lotus leaf surface.FT-IR analysis showed the prepared SiO2particles were high in purity with little by-products.XRD analysis showed that the structure of SiO2microspheres was amorphous.SEM image showed that the SiO2particles on the surface of the coating were uniformly distributed with uniform morphology and bionic micro-rough structure.The contact angle of the hydrophobic coating could reach 133°，and the drag reduction test showed the DR rate of the hydrophobic coating was much higher than that of PVDF coating at low reynolds number and it could be as high as 57.6%.The amount of SiO2particles could affect the drag reduction at extent，which was better when added SiO2of about 0.4 g into PVDF of 2.5 g.

SiO2；hydrophobic coating；drag reduction

TQ127.2

A

1006-4990（2012）09-0014-03

國家自然科學基金項目（50975145）。

2012-03-21

張維玨（1987— ），男，碩士，從事材料表面處理及水下減阻方面的研究。

聯(lián) 系 人：熊黨生

聯(lián)系方式：405856428@qq.com