超疏水材料在水管內壁減阻中的應用研究

朱敏燕，楊銀泳

（臨海偉星新型建材有限公司，浙江 臨海 317000）

我國材料化學研究起步晚，但研究成果豐富，為現代材料化學發展提供了重要的學術保障。目前，超疏水材料技術比較成熟，是水管制造生產中的重要技術方向。在超疏水材料的應用中，水管性能得到明顯改善，特別是實現水管內壁減阻，成為其應用于水管領域的重要內容。實際上，超疏水材料的疏水性能良好，為更好地探究其應用效果，從機理作用中強化對超疏水材料的理解認識、模型分析，提高疏水材料功能的認識程度。因此，本文立足對超疏水材料進行研究，就其在水管內壁減阻進行系統闡述。

1 超疏水材料在水管內壁減阻的作用機理

隨著材料化學技術的不斷發展，超疏水材料的制備及應用，為水管性能改善起到了重要作用。目前，超疏水材料的應用十分廣泛，在水管內壁減阻中的應用，就是基于其疏水性能，提高水管內壁的疏水功能。因此，為更好地研究超疏水材料的應用，就其作用機理與模型建立進行闡述。

1.1 作用機理

早在上世紀末，人類就對自然界的“生物超疏水”現象展開研究，并逐步發展成為材料化學的重要研究領域。自然接種、植物的葉子和昆蟲的翅膀等，都具備超疏水功能。因此，依照自然生物的生理現象，仿生超水材料的制備及應用，在水管內壁減阻中得到應用。從超疏水材料的特性來說，其應用于水管內壁減阻主要有兩大方面的作用機理：一是超疏水材料能夠在水管表面形成精細的微觀結構，能夠保持內壁良好的疏水性能。如，等離子表面處理法和靜電紡絲法等，均是超疏水材料應用的重要技術載體，實現水管內壁減阻的效果；二是通過對水管內壁低自由能物質進行表面修飾，以實現對自由官能團的有效吸附。目前，超疏水材料的制備及應用技術比較成熟，在水管內部減阻中的應用，成為材料化學研究的重要內容，對于改善水管性能具有重要研究意義。

1.2 建立模型

超疏水現象是常見的自然現象，其在水管內部減阻中的應用效果，主要在于材料表面的自由能以及微觀結構。因此，本文依照“Young’s方程”建立模型，就水管內部表面的浸潤性進行研究。目前，超疏水材料的應用模型十分廣泛，為更好地實現模型的建立，主要如圖1所示展開。

圖1 超疏水材料的表面模型

公式1：γLGcosθY=γSG－γSL（圖1-（a）），

公式2：cosθw=γcosθY（圖1-（b）），

其中，r=實際表面積/投影面積。

在該模型中，通過對r的放大，可以更好地從超疏水性能中，得出其應用于水管內壁減阻中的效果。從模型研究中可以得出：（1）在θY＜90°之時，超疏水材料的表面親水性會隨著r的增加，減小θw。這說明，在材料表明粗糙度不斷增加的情況之下，隨著親水性的不斷提高，可促使水管內壁的疏水性效果更佳；（2）該模型為理想狀態，水管表面的潤濕現象可能與模型不符，特別是水管表面的形貌、膨脹情況等要素，會對超疏水材料造成一定影響。因此，超疏水材料在水管內壁減阻中的應用，能夠基于疏水性能的有效構建，最大程度地減少內壁阻力，形成良好的應用效果。

2 超疏水材料在水管內壁減阻中的應用及效果

目前，超疏水材料技術比較成熟，其廣泛的應用及良好效果，決定其在現代材料化學中的重要性。超疏水材料以自然界“超疏水生物”現象為載體，實現了現代仿生超疏水材料的制備，并在水管制造等方面有著廣泛應用。從實際而言，超疏水材料可實現水管內壁減阻，體現超疏水材料的疏水功能，保障了超疏水材料在水管內壁減阻中的重要作用。因此，為更好地研究其應用效果，將主要圍繞水管流量及表面材料穩定性2個方面展開。

2.1 超疏水材料的具體應用

在水管功能設計中，如何更好地發揮現代材料化學的重要作用，水管性能進行改善，實現內壁受阻問題的有效解決，成為超疏水材料研究的重要方向。首先，超疏水材料的制備技術及條件比較成熟，可以在超疏水材料的應用中提供技術保障。如，在水管內壁設計中，應強化對超疏水材料的應用，提高水管表面的親水程度，這是超疏水材料應用的前期基礎；其次，超疏水材料的制備方法多樣化，為更好地滿足水管內壁減阻需要，應充分運用噴霧法、溶液浸泡法和溶膠-凝膠法等，提高超疏水材料的應用效果；再次，超疏水材料的技術比較成熟，在水管內壁減阻中的應用，應遵循科學合理原則，發揮超疏水材料的“性能”，對木器水管內壁阻力增加等問題進行梳理解決，提高實際應用效果。

2.2 超疏水材料的應用效果

為更好地闡述超疏水材料的應用效果，本文選擇不同管徑狀態下的流動情況，以更加客觀真實地反應其應用效果。不同管徑狀態下的流動情況見表1。從表1可以知道，在不同管徑狀態之下，超疏水材料的應用效果不同，且隨著管徑的增加，所形成的疏水效果更顯著，及對內壁減阻的效果更佳，能夠更好地滿足水管內壁的減阻需要。

表1 不同管徑狀態下的流動情況

2.1.1 流量情況

在水管內壁減阻效果的分析中，不同材料狀態下的流量情況是直接反應。為此，在研究中發現，超疏水材料的應用，同一管徑下的水流量存在顯著新差異，即應用超疏水材料的水管，其流量明顯多于普通水管如圖2所示，這就說明，超疏水材料在水管內壁減阻中具有較好效果。對于普通水管而言，水管流量處于穩定狀態，但對于使用超疏水材料的水管而言，隨著不斷地使用，水管疏水效果不斷提高，流量隨著時間推移超過普通水管，充分說明了超疏水材料在水管內壁減阻的應用效果。

圖2 超疏水材料水管與普通水管流量情況

2.1.2 水管表面材料的穩定性

隨著材料化學技術的不斷發展，水管表面材料的應用日益廣泛。從材料的穩定性而言，超疏水材料的穩定性更好，能夠滿足不同環境條件下的應用需求。而對于普通水管而言，表面材料具有一定的不穩定性，在惡劣環境條件之下，出現開裂、脫落等問題，影響內壁疏水效果，也進一步說明超疏水材料的應用優勢，如圖3所示。因此，在超疏水材料的應用中，穩定的材料性能及技術優勢決定了其在水管內壁減阻中的應用價值。

圖3 超疏水材料在應用中的性能穩定情況

3 結束語

綜上所述，隨著超疏水材料技術的不斷發展，其應用于水管內壁減阻，可以更好地發揮疏水材料的疏水作用，體現超疏水材料的應用價值。在本文研究中，超疏水材料可以基于水管表面形成親水性能，減少水管內壁的阻力，并且通過模型的建立分析，超疏水材料在θY＜90°之時，超疏水材料的表面親水性會隨著r的增加，減小θw，在水管內建筑中形成重要作用。超疏水材料在水管內壁減阻中的應用，是基于超疏水材料的技術優勢，為水管性能的提高提供了重要支撐，也是新時期超疏水材料應用的重要基礎。