荷叶效应在金属材料表面应用

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1、荷叶效应在金属材料表面应用【摘要】多年来，水垢一直对人们的生产、生活造成巨大的危害，它的产生不但危害人体自身的健康，而且对工业生产也会造成巨大的损失，例如水垢能够降低燃料的利用率，还会导致系统管线堵塞而造成严重的事故。为了研究阻止水垢形成的方法，科学家们一直在不懈努力，自然界中，雨后的荷叶给科学家们带来奇思妙想。在金属表面通过涂膜技术，模拟荷叶表面，使金属表面产生疏水性，这样水珠不易在金属表面停留，最终迗到防止金属表面结垢和被腐蚀的目的。本文就金属表面模拟荷叶表面而产生荷叶效应进而迗到防止水垢形成这一目的做了简单论述。【关键词】荷叶效应；

2、结垢机理；涂料1荷叶效应众所周知，清晨或者雨后，水滴落在荷叶上，会以水珠的形式一个一个自由滚动下来，荷叶表面始终都能保持着干爽，而且，水珠在不断的滚动中能够带走附着在荷叶表面上的尘土和一些杂质。为什么会产生这种效应呢？下面我们用传统的、大家熟知的化学分子极性理论来解释，许多化学分子都具有亲水性和憎水性，例如我们生活中所用到的洗衣粉，洗洁精这些必备品都是采用这种原理制作成的。经过分析得知：荷叶的基础化学组成成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，而这些物质中含有丰富的羟基（-0H）、氨基（-NH）等极性基团即亲水性分子，在自然环境中

3、非常容易吸附水分和污渍。而荷叶的叶面却具有极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动汇集成大致相等的水珠，水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸起来，一起“组滚出叶面，使叶面始终保持洁净、干爽，这就是著名的“荷叶自洁效应”。为什么这种“荷叶效应”用传统的化学分子极性理论来解释，不仅解释不通，而且恰恰相反呢？荷叶的表面用手去抚摸都可以感觉到它的粗糙程度，它的表面光洁度根本迗不到机械学意义上的光洁度（粗糙度），所以，从机械学的光洁度（粗糙度）角度来解释也是行不通的。20世纪90年代初，经过两位德国科学家的长期观察和研究，终于揭开了荷叶表面产生自洁效应的

4、神秘面纱。通过超高分辨率显微镜可以清晰观察到在荷叶表面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构，这些超微结构是由许多微小的乳突（平均大小约为10微米，平均间距约12微米，直径为200纳米左右。）组成的。它们一个挨着一个密密麻麻的的排布着，就像隆起的小山包，在它们上面长满绒毛。在“小山包”顶端而会长出一个相当于馒头状的凸出点。因为有这样奇特的结构存在，在高起点下面的低谷处就会布满空气，空气下面就是叶子的表面，这样的凹陷一个挨着一个，密密麻麻排列，当其他尺寸大于该结构的物质接触叶片的时候，并不能完全接触叶片的表面，而是被几个点支撑着。水珠

5、在自身的表面张力作用下形成球状，水球不断滚动的同时吸附杂物，最终滚出叶面，这就构成“荷叶效应”的基本原理。如图1所示：1荷叶憎水示意2水垢对金属表面的危害2.1结垢的影响水垢对人类的生产生活造成了巨大的影响，它是一种导热性能极差的化学物质，导热性能为钢材的十分之一到数百分之一，是“百害之源”。下面以水垢对油气田产生的危害做简要说明。金属管道表面结垢是油气田生产过程中遇到的严重问题之一，水垢常导致油气层伤害、油气井井筒内壁和地面管线内表面阻流、设备损坏等问题出现，使油气开发和油气正常生产受到严重影响。造成了较大的经济损失，而且随着油田最近几

6、十年不断的开采，地下原油的中含水量的不断上升，产生结垢的现象愈来愈明显。造成卡泵，注水、输水系统堵塞。因此，需对金属表面结垢成因机理和影响因素等进行分析研究，以便制定出有效的防垢措施。2.2垢的种类在金属表面最常见的水垢是碳酸钙、硫酸钙、硅酸钙、碳酸镁、硫酸镁、氢氧化钙、氢氧化镁垢、铁盐、硅铝垢。2.3结垢机理不同的物质有着不同的结垢机理，下面介绍一下不同物质的结垢机理。想要了解水垢的成结机理，首先需要知道什么是“硬水”和“软水”，“硬水”是指水中含有钙镁盐类等矿物质。自然界中的湖水、河水、井水和泉水都是硬水。人们生活中用到的自来水是河水

7、、湖水或者井水经过沉降，除去泥沙，消毒杀菌后得到的（在此过程中并没有去除水中的矿物质），也是硬水。“软水”是指不含矿物质的水，刚下的雨雪就是软水。自来水烧开后，一小部分水分蒸发了，本来不好溶解的硫酸钙（含结晶水的硫酸钙就是我们熟知的石膏）沉淀下来。原来溶解在水中的碳酸氢钙和碳酸氢镁，在沸腾的过程中分解，放出二氧化碳，变成难溶解的碳酸钙和碳酸镁（石灰石、白云石的主要成分）也沉淀下来。这就是水垢的来历。用硬水洗衣服的时候，水里的钙镁离子和肥皂结合，生成了脂肪酸钙和脂肪酸镁的絮状沉淀，这就是“豆腐渣”的来历。日常生活中使用硬水洗衣服，会导致洗衣

8、粉的利用率下降。水壶内表面金属层如果形成了水垢，就不容易传导热量，导致燃料的浪费。对于一个家庭来说，这些浪费还不算严重。而对于工业来说，浪费可就不可忽视了。例如供暖公司冬季供暖供汽用的大锅炉，