环氧底漆表面合成超疏水涂层减阻性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武汉理工大学材料科学与工程学院 作者:夏秋

  采用大气压冷弧等离子体射流在防腐涂料表面制备了超疏水涂层。利用接触角仪对涂层的疏水性能进行了检测,并利用扫描电镜、能量色散谱对涂层表面形貌和化学成分进行了表征,采用差压流阻测试仪研究了等离子处理前后试样表面的减阻效果。结果表明,经等离子体射流处理后的涂层表面水接触角大于160°,滚动角小于5°,且该超疏水涂层在大气中具有良好的稳定性。流阻测试实验证明等离子射流处理后的试样表面减阻率最大可达16.5%。涂层具有微米和纳米凸起的二元复合结构,大幅度降低了涂层的表面能,二元结构中形成的空气层,将固体与液体之间的摩擦转化为气体与液体之间的摩擦,有效降低了水在超疏水涂层表面的运动阻力。

  近年来,超疏水表面由于具有非润湿性和自清洁特性而受到人们的广泛关注,其在卫星天线、新型燃料电池的开发、金属表面的防腐蚀,以及生物医学中人造血管等领域都具有非常高的应用价值。超疏水表面一般是指基底材料对水的静态接触角大于150°的表面。此外,在实际应用中,水滴在疏水表面的动态滚动角也逐渐被人们视为超疏水的重要表征之一,滚动角表示水滴在固体表面自由滚落的难易程度,滚动角越小,疏水性愈强,水滴在超疏水表面的接触阻力非常小,能够近似自由的滚动。

  水下航行器在运行时,会受到三种阻力,兴波阻力、差压阻力和摩擦阻力,其中摩擦阻力约占到全部阻力的70% ~80%,减小摩擦阻力对于提高航行速度和节约能量有重要的实用价值。超疏水涂层具有独特的憎水性使其成为一种新型的减阻村料。目前对于超疏水涂层的减阻机理普遍采用Navier 提出的壁面滑移理论,该理论认为流体与具有疏水性能的固体表面接触时有一定的滑移速度,滑移壁面的存在使近壁区边界面上的速度梯度减小,降低了流体在壁面之间的剪切力,从而降低了摩擦阻力。Elias在铝板表面喷涂超疏水涂层后进行减阻测试,发现具有高接触角和低滚动角的超疏水表面的减阻率可达30%,Martell通过一系列模拟得出在固体表面上制备超疏水涂层后,其在湍流情况下表面减阻可达到50%,李刚等在Si 表面制备超疏水涂层后进行了疏水性与流动减阻特性的研究,结果表明接触角愈大疏水性愈强,减阻效果愈明显。以上研究为超疏水涂层在减阻方面的应用提供了新的思路。

  大气压等离子体射流能够在常压条件下实现材料表面改性和沉积薄膜,与其他制备方法相比,大气压等离子体具有运行成本低、设备简单、操作方便,为更广阔范围的推广应用提供了可能。本文采用大气压冷弧等离子体射流在防腐涂料表面上沉积超疏水涂层,通过水接触角测试、扫描电镜(SEM) 、X 射线能量色散谱(EDX) 等分析方法研究了超疏水涂层的表面润湿性、物理形貌及化学成分的变化,并利用差压流阻测试装置对比了等离子沉积超疏水涂层前后的减阻效果,分析了其减阻机理。

  1、实验方法

  1.1、涂层制备

  大气压冷弧等离子体射流沉积系统的结构设计如图1 所示。以Ar 气为载气体,六甲基二硅氧烷(HMDSO) 为反应单体,试样置于等离子体喷枪下,在大气环境中沉积超疏水涂层。将等离子枪与运动控制体系相连,可实现大面积均匀喷涂。喷枪竖直向下,通过调整喷枪的高度调节喷嘴到基底的距离。等离子体在内、外电极之间的区域产生,并经压缩空气吹出,射流火焰长度约为15 mm,直径约为10mm。沉积薄膜时,一定流量的Ar 作为载气通入反应单体HMDSO,将混有反应单体的气体带入等离子体反应中心进行活性反应,最后沉积于试样表面形成超疏水涂层,实验中的试样采用带有环氧底漆的铝合金,以符合实际使用中对基底的防腐保护。

大气压等离子体射流沉积系统原理简图

图1 大气压等离子体射流沉积系统原理简图

  1.2、性能特征与表征

  1.2.1、接触角测试

  实验在型号为KRUSS-DSACOO 的接触角测试仪上进行。室温下,采用静态液滴法,水滴均为6μL,分别测取样品表面上5 个点的接触角,记录数据求平均值,此值即为静态接触角。另外取15 μl的水滴置于水平样品表面上,慢慢倾转样品台,待水滴开始滚动时,记录样品台与水平面之间的夹角,此值即为滚动角,同上测量五点取平均值。

  1.2.2、SEM及EDX分析

  采用德国zeissULTRA55 型SEM,观察大气压等离子体沉积超疏水涂层的表观形貌,加速电压为8kV,并用EDX仪对涂层的化学元素进行分析。

  1.2.3、涂层减阻测试

  减阻测试采用差压流阻测试装置,其结构在专利中有具体说明,试样置于流道下托盘内,保持试样表面与水流方向平行,使水流能均匀通过试样表面,确保数据准确性。通过测量水流流经试样表面前后的差压计算出试样表面的剪切力,比较环氧底漆表面和超疏水涂层表面两者剪切力数值,即可得出超疏水涂层的减阻效果。

  3、结论

  (1) 以HMDSO为反应单体,采用大气压等离子体射流制备了超疏水涂层,制备过程中Ar气流量是影响涂层润湿性关键参数,相同条件下,气流量达到2 L/min 后接触角达到150°以上,处于超疏水状态。

  (2) SEM 测试表明大气压冷弧等离子体射流沉积涂层表面呈微-纳复合结构,结合EDX分析,表面的超疏水现象是由这种二阶粗糙结构及低表面能物质SiOx共同构成的,因而具备高的接触角和低的滚动角。

  (3) 将大气压冷弧等离子体射流沉积的涂层置于大气中,随着时间的延长,接触角与滚动角只略有变化,表明利用这种方法制备出的超疏水涂层具有长期的稳定性。

  (4) 在本实验条件下,利用流道式差压测试设备对超疏水涂层进行减阻测试,能起到明显的减阻效果,最大减阻可达16.49%。

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