ZW－70低表面能陶瓷减阻防污涂层的作用机理和试验测试

徐 中，刘国训，李 政

（1.大连理工大学，辽宁 大连 116023；2.大化集团，辽宁 大连 116033）

在船舶航行和海水、污水及石油化工管道输运中，污损生物会很快吸附在固体表面，并在上面生长、繁殖，从而形成生物污损［1］。生物污损会增加固液接触界面的摩擦阻力，产生大量的能量损失、增加燃料消耗和运输成本。在船舶表面和管道壁面涂覆防污涂层，可以明显改善固液界面的运动状况和壁面生物／化合物垢类的附着问题，从而降低能源损耗、节约经济成本。

ZW－70低表面能陶瓷减阻防污涂料涂覆在海水、污水及石油化工输运管道壁面后，可以显著增加输运效率、降低生物／化合物垢类的附着面积。由于减阻防污涂料具有较强的疏水效果及特定的微观结构，可以在原固液界面处形成无剪切应力的气液滑移界面，显著地降低管道壁面的摩擦阻力，提高泵站的输运效率。同时减阻防污涂料有很低的表面能，污损生物难以在表面附着或附着不牢固，在水流冲击和其他外力作用下很容易脱落［2］。可以长时间保持壁面清洁，延长管道使用周期。

1 技术指标和作用机理

1.1 技术指标

表1为实际生产ZW－70低表面能陶瓷减阻防污涂料在涂覆试片后根据国家标准和相关规定测量的涂层主要物理机械性能。

表1 ZW－70低表面能陶瓷减阻防污涂料主要技术性能指标

1.2 作用机理

材料表面的疏水性能主要由表面微观几何结构和材料表面能大小两个因素决定［3］。减阻防污涂料具有较低的表面能，与水的接触角大于90°，表现为疏水性。当材料与水接触时，由于材料表面能较低，管壁与流体介质的粘附作用较弱，壁面摩擦阻力较小，有助于输运效率的提高。材料表面的微观几何结构可以增强低表面能材料的疏水效果，增加固液界面的实际接触面积，增加疏水接触角。当管壁与水接触时，微结构内部会存储部分空气，使粘附作用较强的固液接触界面转变为无剪切应力的滑移气液界面［4］，从而减小管壁的摩擦阻力，提高输运效率。

污损生物附着机理的研究表明［5］，当污损生物寻找到合适的表面后，会将存储在泡囊中的多聚糖－蛋白络合物黏液释放出来，在孢子周围形成亲水的粘附垫。而ZW－70涂料的表面由于具有很低的表面能，当污损生物释放的黏液流动到涂层表面时，易形成球型而难以继续铺展和粘附［6］。另一方面涂层表面微细结构内部存储的微小气泡也会阻碍黏液的吸附。微小气泡的存在会使黏液底部与固体壁面的实际接触面积小于表观接触面积，使固液接触界面转变为气液界面，从而减弱污损生物的粘附效果。使得污损生物附着不牢固，在水流冲击或其他外力作用下很容易脱落，降低生物附着的稳定性，保持管道长期洁净无污染，维持管道输运效率稳定无变化。

2 试验检测

2.1 减阻测试

为测量ZW－70涂层的实际减阻效果，构建了如图1所示的压差减阻测试平台［7］。测试时，分别将普通涂料和减阻防污涂料喷涂在管道测试段内壁上，调节入口段的压力调整阀，控制入口处的进口压力值，利用压差传感器测量测试段的流体压力降，通过压力降的大小来比较不同涂层在各入口压力条件下的减阻性能。

图1 压差减阻测试平台原理图

图2为未涂覆涂层的粗糙管壁和涂覆普通涂层以及ZW－70涂层的试验段压力降随入口处压力值变化的关系图。如图2所示，随着入口处压力值的升高，试验段的压力降逐渐增大。这与实际情况相符，随着入口压力增加，管道内流体的流速增加，湍流雷诺数随流速的增加也相应增大。管道内湍流脉动作用增强，沿程压力损失增加，进、出口的压力降必然增大［8］。

图2 测试段压力差随入口压力变化情况

未涂覆涂层的粗糙管壁在相同条件下测试段的压力降最大。涂覆普通涂层的管壁与粗糙管壁相比压力降明显减低，主要是因为未涂覆涂层的管壁壁面较为粗糙，粗糙峰高度超出流体粘性底层厚度进入湍流区，湍流扰动增加，压力降增大。涂覆涂层可以明显改善壁面的表面状况，降低粗糙度，进而进出口段的压力降也明显降低。普通涂层与ZW－70涂层相比壁面粗糙状况基本相同，但ZW－70涂层测试段的压力降进一步降低。这主要是由涂层的疏水性引起的。另一方面，由于涂层具有疏水性流体不能充分进入粗糙峰之间的凹谷内。在凹谷中保留有部分空气形成无剪切应力的滑移气液界面，因此与普通涂层相比ZW－70涂层的减阻作用更强。

按公式（1）计算普通涂层和ZW－70涂层相对粗糙管壁的减阻率。绘制减阻率随入口压力值变化曲线图。

ΔP0为粗糙管壁测试段压力降差值；ΔP1为普通涂层或ZW－70涂层测试段压力降差值；η为涂层相对粗糙管壁的减阻率。

图3为涂层减阻率随入口压力值变化曲线。如图所示，普通涂层在入口压力小于600Pa时减阻率几乎为零。当入口压力逐渐增大时，减阻率逐渐增大，但变化率逐渐降低。ZW－70涂层在入口压力很小时就表现出了较大的减阻效率。随着入口压力的增加，减阻率有所增大，但与普通涂层的减阻效果相比差距逐渐缩小。

图3 涂层减阻率随入口压力的变化情况

涂覆涂层后管壁的粗糙度明显降低，在入口压力较小时，管流速度和雷诺数较低，粘性底层厚度大于粗糙管壁的粗糙峰高度，因此喷涂普通涂层并未能改善减阻效果，表现为水利光滑阶段。随着入口压力值增加，管流速度和雷诺数增大，粘性底层厚度变小，粗糙管壁的粗糙峰衍伸致湍流区，但喷涂涂层后的管壁粗糙峰高度减小，并未超出粘性底层厚度或对湍流区的扰动作用较小，因此，相对粗糙管壁，在雷诺数较大时，喷涂涂层的管道具有较大的减阻效果。

ZW－70涂层与普通涂层相比，减阻效果进一步增加。但随着入口压力和流速的增加，ZW－70涂层与普通涂层相比减阻效果差距减小。分析原因为，随着管道内压力和流速增加，低表面能减阻防污涂层气液界面不断减小，且湍流扰动增强使得部分凹谷中的空气被流体带走，因而减阻作用与低速区相比与普通涂层减阻效果差距不明显。

2.2 防污测试

将未涂覆涂层的试样板和普通涂层试样板及ZW－70试样板进行海水浸泡试验。图4为6个月后的试样表面污损物吸附情况。

图4 挂板表面污损物附着图

由图4可见，未涂覆涂层的试样板上吸附了大量的污损物和藻类植物等污损生物，涂覆普通涂层的试样板上也生长了较多的污损生物，而ZW－70试样板上的污损生物附着情况明显减少。挂板试验表明，ZW－70涂层可以显著的降低污损生物在涂层表面的吸附性能，具有优异的防污效果。

3 结 论

ZW－70低表面能陶瓷减阻防污涂层具有良好的低表面能、疏水、减阻和防污特性。压差减阻试验测试和挂板试验结果表明，涂覆ZW－70涂料可以明显改善管道减阻效果和挂板表面污损物附着情况，提高管道输运效率，延长管线使用周期，在船舶航行和海水、污水及石油化工管道输运等领域具有广阔的应用前景。

［1］ 魏锦生.关于船舶防污涂料探讨［J］.航海技术，1994，（4）：63

［2］ 陈美玲，张力明，杨莉，高宏.低表面能船舶防污涂料的疏水结构及防污性能［J］.船舶工程，2010，32（6）：64－67

［3］ 刘传生，蒋文曲，管自生.类荷叶结构聚全氟乙丙烯的超疏水性［J］.高等学校化学学报，2011，32（5）：1175－1180

［4］ Robert J.Daniello，Nicholas E.Waterhouse，and Jonathan P.Rothstein.Drag reduction in turbulent flows over superhydrophobic surfaces.physics of fluids 21，085103（2009）.

［5］ Callow M E，Callow J A，Pickett－Heaps J D，et al.Primary adhesion of Enteromorpha proopagules：quantitative settlement studies and video microscopy［J］.J.Phycl，1997，33：937－947.

［6］ 陈美玲.低表面能及改性丙烯酸系列无毒防污涂料制备与应用研究［D］.大连交通大学：材料加工工程，2008

［7］ 孙家峰，周燕，李健，等.压差流阻测试装置研制及涂层减流阻作用研究［J］.润滑与密封，2006，（7）：120－122

［8］ 严敬.工程流体力学［M］.重庆：重庆大学出版社，2007