ZW－70低表面能陶瓷減阻防污涂層的作用機(jī)理和試驗(yàn)測(cè)試

徐 中，劉國(guó)訓(xùn)，李 政

（1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116023；2.大化集團(tuán)，遼寧 大連 116033）

在船舶航行和海水、污水及石油化工管道輸運(yùn)中，污損生物會(huì)很快吸附在固體表面，并在上面生長(zhǎng)、繁殖，從而形成生物污損［1］。生物污損會(huì)增加固液接觸界面的摩擦阻力，產(chǎn)生大量的能量損失、增加燃料消耗和運(yùn)輸成本。在船舶表面和管道壁面涂覆防污涂層，可以明顯改善固液界面的運(yùn)動(dòng)狀況和壁面生物／化合物垢類的附著問(wèn)題，從而降低能源損耗、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

ZW－70低表面能陶瓷減阻防污涂料涂覆在海水、污水及石油化工輸運(yùn)管道壁面后，可以顯著增加輸運(yùn)效率、降低生物／化合物垢類的附著面積。由于減阻防污涂料具有較強(qiáng)的疏水效果及特定的微觀結(jié)構(gòu)，可以在原固液界面處形成無(wú)剪切應(yīng)力的氣液滑移界面，顯著地降低管道壁面的摩擦阻力，提高泵站的輸運(yùn)效率。同時(shí)減阻防污涂料有很低的表面能，污損生物難以在表面附著或附著不牢固，在水流沖擊和其他外力作用下很容易脫落［2］。可以長(zhǎng)時(shí)間保持壁面清潔，延長(zhǎng)管道使用周期。

1 技術(shù)指標(biāo)和作用機(jī)理

1.1 技術(shù)指標(biāo)

表1為實(shí)際生產(chǎn)ZW－70低表面能陶瓷減阻防污涂料在涂覆試片后根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定測(cè)量的涂層主要物理機(jī)械性能。

表1 ZW－70低表面能陶瓷減阻防污涂料主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 作用機(jī)理

材料表面的疏水性能主要由表面微觀幾何結(jié)構(gòu)和材料表面能大小兩個(gè)因素決定［3］。減阻防污涂料具有較低的表面能，與水的接觸角大于90°，表現(xiàn)為疏水性。當(dāng)材料與水接觸時(shí)，由于材料表面能較低，管壁與流體介質(zhì)的粘附作用較弱，壁面摩擦阻力較小，有助于輸運(yùn)效率的提高。材料表面的微觀幾何結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)低表面能材料的疏水效果，增加固液界面的實(shí)際接觸面積，增加疏水接觸角。當(dāng)管壁與水接觸時(shí)，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)存儲(chǔ)部分空氣，使粘附作用較強(qiáng)的固液接觸界面轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)剪切應(yīng)力的滑移氣液界面［4］，從而減小管壁的摩擦阻力，提高輸運(yùn)效率。

污損生物附著機(jī)理的研究表明［5］，當(dāng)污損生物尋找到合適的表面后，會(huì)將存儲(chǔ)在泡囊中的多聚糖－蛋白絡(luò)合物黏液釋放出來(lái)，在孢子周圍形成親水的粘附墊。而ZW－70涂料的表面由于具有很低的表面能，當(dāng)污損生物釋放的黏液流動(dòng)到涂層表面時(shí)，易形成球型而難以繼續(xù)鋪展和粘附［6］。另一方面涂層表面微細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存儲(chǔ)的微小氣泡也會(huì)阻礙黏液的吸附。微小氣泡的存在會(huì)使黏液底部與固體壁面的實(shí)際接觸面積小于表觀接觸面積，使固液接觸界面轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖航缑妫瑥亩鴾p弱污損生物的粘附效果。使得污損生物附著不牢固，在水流沖擊或其他外力作用下很容易脫落，降低生物附著的穩(wěn)定性，保持管道長(zhǎng)期潔凈無(wú)污染，維持管道輸運(yùn)效率穩(wěn)定無(wú)變化。

2 試驗(yàn)檢測(cè)

2.1 減阻測(cè)試

為測(cè)量ZW－70涂層的實(shí)際減阻效果，構(gòu)建了如圖1所示的壓差減阻測(cè)試平臺(tái)［7］。測(cè)試時(shí)，分別將普通涂料和減阻防污涂料噴涂在管道測(cè)試段內(nèi)壁上，調(diào)節(jié)入口段的壓力調(diào)整閥，控制入口處的進(jìn)口壓力值，利用壓差傳感器測(cè)量測(cè)試段的流體壓力降，通過(guò)壓力降的大小來(lái)比較不同涂層在各入口壓力條件下的減阻性能。

圖1 壓差減阻測(cè)試平臺(tái)原理圖

圖2為未涂覆涂層的粗糙管壁和涂覆普通涂層以及ZW－70涂層的試驗(yàn)段壓力降隨入口處壓力值變化的關(guān)系圖。如圖2所示，隨著入口處壓力值的升高，試驗(yàn)段的壓力降逐漸增大。這與實(shí)際情況相符，隨著入口壓力增加，管道內(nèi)流體的流速增加，湍流雷諾數(shù)隨流速的增加也相應(yīng)增大。管道內(nèi)湍流脈動(dòng)作用增強(qiáng)，沿程壓力損失增加，進(jìn)、出口的壓力降必然增大［8］。

圖2 測(cè)試段壓力差隨入口壓力變化情況

未涂覆涂層的粗糙管壁在相同條件下測(cè)試段的壓力降最大。涂覆普通涂層的管壁與粗糙管壁相比壓力降明顯減低，主要是因?yàn)槲赐扛餐繉拥墓鼙诒诿孑^為粗糙，粗糙峰高度超出流體粘性底層厚度進(jìn)入湍流區(qū)，湍流擾動(dòng)增加，壓力降增大。涂覆涂層可以明顯改善壁面的表面狀況，降低粗糙度，進(jìn)而進(jìn)出口段的壓力降也明顯降低。普通涂層與ZW－70涂層相比壁面粗糙狀況基本相同，但ZW－70涂層測(cè)試段的壓力降進(jìn)一步降低。這主要是由涂層的疏水性引起的。另一方面，由于涂層具有疏水性流體不能充分進(jìn)入粗糙峰之間的凹谷內(nèi)。在凹谷中保留有部分空氣形成無(wú)剪切應(yīng)力的滑移氣液界面，因此與普通涂層相比ZW－70涂層的減阻作用更強(qiáng)。

按公式（1）計(jì)算普通涂層和ZW－70涂層相對(duì)粗糙管壁的減阻率。繪制減阻率隨入口壓力值變化曲線圖。

ΔP0為粗糙管壁測(cè)試段壓力降差值；ΔP1為普通涂層或ZW－70涂層測(cè)試段壓力降差值；η為涂層相對(duì)粗糙管壁的減阻率。

圖3為涂層減阻率隨入口壓力值變化曲線。如圖所示，普通涂層在入口壓力小于600Pa時(shí)減阻率幾乎為零。當(dāng)入口壓力逐漸增大時(shí)，減阻率逐漸增大，但變化率逐漸降低。ZW－70涂層在入口壓力很小時(shí)就表現(xiàn)出了較大的減阻效率。隨著入口壓力的增加，減阻率有所增大，但與普通涂層的減阻效果相比差距逐漸縮小。

圖3 涂層減阻率隨入口壓力的變化情況

涂覆涂層后管壁的粗糙度明顯降低，在入口壓力較小時(shí)，管流速度和雷諾數(shù)較低，粘性底層厚度大于粗糙管壁的粗糙峰高度，因此噴涂普通涂層并未能改善減阻效果，表現(xiàn)為水利光滑階段。隨著入口壓力值增加，管流速度和雷諾數(shù)增大，粘性底層厚度變小，粗糙管壁的粗糙峰衍伸致湍流區(qū)，但噴涂涂層后的管壁粗糙峰高度減小，并未超出粘性底層厚度或?qū)ν牧鲄^(qū)的擾動(dòng)作用較小，因此，相對(duì)粗糙管壁，在雷諾數(shù)較大時(shí)，噴涂涂層的管道具有較大的減阻效果。

ZW－70涂層與普通涂層相比，減阻效果進(jìn)一步增加。但隨著入口壓力和流速的增加，ZW－70涂層與普通涂層相比減阻效果差距減小。分析原因?yàn)椋S著管道內(nèi)壓力和流速增加，低表面能減阻防污涂層氣液界面不斷減小，且湍流擾動(dòng)增強(qiáng)使得部分凹谷中的空氣被流體帶走，因而減阻作用與低速區(qū)相比與普通涂層減阻效果差距不明顯。

2.2 防污測(cè)試

將未涂覆涂層的試樣板和普通涂層試樣板及ZW－70試樣板進(jìn)行海水浸泡試驗(yàn)。圖4為6個(gè)月后的試樣表面污損物吸附情況。

圖4 掛板表面污損物附著圖

由圖4可見(jiàn)，未涂覆涂層的試樣板上吸附了大量的污損物和藻類植物等污損生物，涂覆普通涂層的試樣板上也生長(zhǎng)了較多的污損生物，而ZW－70試樣板上的污損生物附著情況明顯減少。掛板試驗(yàn)表明，ZW－70涂層可以顯著的降低污損生物在涂層表面的吸附性能，具有優(yōu)異的防污效果。

3 結(jié) 論

ZW－70低表面能陶瓷減阻防污涂層具有良好的低表面能、疏水、減阻和防污特性。壓差減阻試驗(yàn)測(cè)試和掛板試驗(yàn)結(jié)果表明，涂覆ZW－70涂料可以明顯改善管道減阻效果和掛板表面污損物附著情況，提高管道輸運(yùn)效率，延長(zhǎng)管線使用周期，在船舶航行和海水、污水及石油化工管道輸運(yùn)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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