疏水表面及其減阻研究

石油人在北京

微米結(jié)構(gòu)的乳突以及蠟狀物共同作用引起的。研究
表明,荷葉表面之所以具有高接觸角和近乎0°的滾
動角,是因為荷葉表面除了微米結(jié)構(gòu)的乳突和蠟狀
物的存在外,在微米結(jié)構(gòu)的乳突上還具有納米結(jié)構(gòu)。
正是這種微P納米結(jié)構(gòu)的共同作用,導(dǎo)致了荷葉和水
稻葉表面具有超疏水性質(zhì)[3 ] 。另外,水黽的腿,蝴
蝶、蟬及水鳥的翅膀表面都具有凹凸不平的微P納米
結(jié)構(gòu),其接觸角都大于130°,從而表現(xiàn)出較高的疏水
性能[4 ] 。通常將水與固體表面接觸角大于150°以上
的物質(zhì)表面稱為超疏水表面,它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人
們的日常生活中已經(jīng)得到部分應(yīng)用,并有著極其廣
闊的應(yīng)用前景。例如, 疏水表面可以用來防雪、防
污染、防氧化以及防止電流傳導(dǎo)等[5 ] 。目前,還出現(xiàn)
了一種同時具備疏水和其他性能的表面,例如透明
或者帶有各種顏色、各向異性、親P疏水性可逆、良好
的自適應(yīng)性和透氣性的超疏水表面[6 ] 。近年來,還
有將超疏水表面用于各種交通運輸工具的表面,特
別是船舶、艦艇的表面,以利于減阻,并成為一個新
第20 卷第4 期
2008 年4 月
化　學(xué)　進(jìn)　展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol . 20 No. 4
　Apr. , 2008
的研究方向。
2 　基本原理
2. 1 　親、疏水原理
物質(zhì)表面的表面能大小,決定了該物質(zhì)是否具
有親、疏水性能。Young[7 ] 最早揭示了物質(zhì)表面的
親、疏水性質(zhì)。他假設(shè)在理想物質(zhì)表面上,當(dāng)液滴達(dá)
到平衡時,各相的表面張力與接觸角之間可以用式
(1) 表示。
cosθ = (γsv - γsl )Pγlv (1)
式中:γsv為固體表面在飽和蒸氣下的表面張力;γsl
為固液間的界面張力;γlv為液體在它自身飽和蒸氣
壓下的表面張力。θ為固、液、氣三相平衡時的接觸
角。當(dāng)θ> 90°時,認(rèn)為物質(zhì)表面具有疏水性質(zhì);當(dāng)θ
< 90°時,認(rèn)為物質(zhì)表面為親水性質(zhì)。20 世紀(jì)中期,
Cassie 和Wenzel 分別對粗糙表面的親、疏水性進(jìn)行
進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),提高物質(zhì)表面粗糙度將使疏水
的物質(zhì)表面更加疏水,親水的物質(zhì)表面則更加親水。
Cassie 等[8 ] 在研究物質(zhì)表面時,提出了一種新的表
面粗糙模型———空氣墊模型,指出液滴與物質(zhì)表面
接觸分為兩部分,一部分為液滴與物質(zhì)表面凸起
( f s ) 直接接觸部分,另一部分為液滴與物質(zhì)表面凹
坑里的空氣墊( f v ) 接觸部分,假定θv = 180°, Cassie
等在Young 方程基礎(chǔ)上得出公式(2) 。
cosθ′= f cosθ+ f - 1 (2)
其中f 為表面系數(shù), f = f s
P( f s + f v ) 。他們指出,增
加空氣墊所占比例, 將使疏水表面更加疏水。
Wenzel[9 ] 則對疏水表面進(jìn)一步研究指出,液滴在物
質(zhì)表面的實際接觸面積要比理想的表面大,因為實
際物質(zhì)表面并不光滑平整。由于液滴和物質(zhì)表面張
力存在差異,導(dǎo)致液滴會滲入物質(zhì)表面的凹坑部分,
從而使液滴與表面的實際接觸面積大于理想表面中
的接觸面積。所以,Wenzel 得出了對Young 方程的
修正方程(3) 。
cosθ′= r (γsv - γsl )γlv (3)
式中: r = 實際接觸面積P表觀接觸面積,θ′為表觀接
觸角,θ為Young 氏接觸角。根據(jù)式(2) ,可將式(3)
表示成cosθ′= rcosθ,式(3) 中的r > 1 ,cosθ′< cosθ,
所以Wenzel 同樣得出了原本疏水的表面將更加疏
水的結(jié)論。
2. 2 　疏水表面的減阻原理
水下航行體在行進(jìn)時的阻力主要是表面摩擦阻
力、旋渦阻力和壓差阻力。其中摩擦阻力占總阻力
的80 %以上,因此,降低表面摩擦阻力不僅可以提
高水下航行體的行進(jìn)速度而且還可以節(jié)能。
Watanabe 等[10 ] 最早提出了用疏水表面進(jìn)行減阻的
研究,他指出疏水表面具有減阻性能是由于該表面
存在有細(xì)微溝槽,使其表面與流體的接觸面積減小,
導(dǎo)致表面摩擦阻力降低。國內(nèi)田軍等[11 ] 通過對平
板表面修飾,用低表面能物質(zhì)來實現(xiàn)疏水和減阻,在
低速條件下得到14 % —20 %的減阻效果。減阻的
原因可能是疏水涂層推遲了平板表面流體由層流邊
界層向湍流邊界層的捩轉(zhuǎn)。Henoch 等[12 ] 指出,具有
順向細(xì)微溝槽的疏水表面,由于細(xì)微溝槽的存在,使
流體在流經(jīng)物體表面時形成微細(xì)流,正是這種微細(xì)
流的存在,減小了物體表面的摩擦阻力。另外,也有
學(xué)者研究指出,疏水表面的減阻歸結(jié)于液2固界面間
產(chǎn)生了滑移,表面粗糙度以及表面低潤濕性能都可
以使滑移增大,從而實現(xiàn)減阻[13 ] 。目前對于疏水表
面的減阻機(jī)理還沒有一個確切的定論,有待進(jìn)一步
研究。
3 　疏水表面的制造工藝
目前構(gòu)造具有疏水性能的表面主要有兩種途
徑[6 ] :一種是在具有低表面能物質(zhì)的表面,構(gòu)造出粗
糙表面;另外一種就是在構(gòu)造出的粗糙表面修飾低
表面能物質(zhì)。
3. 1 　疏水涂層表面粗糙化工藝
3. 1. 1 　氟碳樹脂表面的粗糙化
眾所周知,氟碳樹脂以其固有的低表面能特性,
被廣泛用于制造疏水表面。目前常用的有: Teflon
(特氟隆) 系列、PVDF (聚偏二氟乙烯) 、FEVE(一種
含氟樹脂) 和PVA (聚乙烯醇) 樹脂等。Zhang 等[14 ]
利用Teflon 制得了具有纖維狀的多孔超疏水薄膜,
正是薄膜表面的這種纖維狀晶粒和大量氣孔的存
在,才使薄膜表面具有疏水性。Chen 等[15 ] 利用氧等
離子體,分別刻蝕經(jīng)金和烷基硫醇修飾后的自組裝
納米聚苯乙烯薄膜表面和Teflon 薄膜表面,前者的
表面接觸角從刻蝕前的132°變?yōu)?70°,后者接觸角
為168°。Lu 等[16 ] 加熱聚四氟乙烯到玻璃點溫度,利
用多孔氧化鋁模板在聚四氟乙烯薄膜表面成功地制
備了柱狀的聚四氟乙烯纖維表面,其表面接觸角為
161°。Xu 等[17 ] 利用電引發(fā)聚合和化學(xué)聚合工藝在
聚吡咯(PPy) 薄膜中摻雜全氟辛烷磺酸(PFOS) 作為
誘導(dǎo)劑,得到具有雙重結(jié)構(gòu)的粗糙表面,其表面具有
較好的疏水性。Yuan 等[18 ] 將聚苯乙烯顆粒溶于四
氫呋喃溶液,并在常溫下向上述溶液中加入一定量