ZW－70低表面能陶瓷減阻防污涂層的作用機(jī)理和試驗測試

徐 中，劉國訓(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，污損生物會很快吸附在固體表面，并在上面生長、繁殖，從而形成生物污損［1］。生物污損會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)動狀況和壁面生物／化合物垢類的附著問題，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］。可以長時間保持壁面清潔，延長管道使用周期。

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)國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定測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，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，增加固液界面的實際接觸面積，增加疏水接觸角。當(dāng)管壁與水接觸時，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部會存儲部分空氣，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，會將存儲在泡囊中的多聚糖－蛋白絡(luò)合物黏液釋放出來，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到涂層表面時，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)部存儲的微小氣泡也會阻礙黏液的吸附。微小氣泡的存在會使黏液底部與固體壁面的實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，保持管道長期潔凈無污染，維持管道輸運(yùn)效率穩(wěn)定無變化。

2 試驗檢測

2.1 減阻測試

為測量ZW－70涂層的實際減阻效果，構(gòu)建了如圖1所示的壓差減阻測試平臺［7］。測試時，分別將普通涂料和減阻防污涂料噴涂在管道測試段內(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，利用壓差傳感器測量測試段的流體壓力降，通過壓力降的大小來比較不同涂層在各入口壓力條件下的減阻性能。

圖1 壓差減阻測試平臺原理圖

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，試驗段的壓力降逐漸增大。這與實際情況相符，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，主要是因為未涂覆涂層的管壁壁面較為粗糙，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）計算普通涂層和ZW－70涂層相對粗糙管壁的減阻率。繪制減阻率隨入口壓力值變化曲線圖。

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

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時減阻率幾乎為零。當(dāng)入口壓力逐漸增大時，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，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)的擾動作用較小，因此，相對粗糙管壁，在雷諾數(shù)較大時，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。分析原因為，隨著管道內(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。圖4為6個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，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。壓差減阻試驗測試和掛板試驗結(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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