超疏水材料在水管内壁减阻的应用

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1、第28卷第5期平顶山学院学报Vo1．28No．52013年1O月JournalofPingdingshanUniversity0ct．2013超疏水材料在水管内壁减阻的应用王争闯，张芳芳，张亚楠，侯一帆，杨腾飞，王梦悦，杨奎，辛晓芸，张轲，严虎(1．郑州大学化学与分子工程学院，河南郑州450001；2．郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001)摘要：针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用，并结合水利与环境方面的专业知识，以节约能源提高效率为目的，展开了关于超疏水管道的有关研究．通过实验研究疏水材料应用于输水管道的减阻效果，并与普通接触角的超疏水管道对比，得出接触角

2、与减阻效果的图表，继而提出应用于实际的方案．通过实验研究，发现随着接触角增大输水管道内水的流速也有增大趋势．也简要综述了前期的超疏水材料制备和生物应用方面的研究工作．关键词：超疏水表面；湿润性；碎数几何；水管；摩擦；减阻中图分类号：TQ021．1；TV131．22文献标识码：A文章编号：1673—1670(2013)05—0061—05糙结构．至今，许多制备粗糙表面的方法已有报0引言道，其中，熔融烷基正乙烯酮二聚体(AKD，一种石浸润性是固体表面的重要特征之一，它是由表蜡)的固化，是第一个人工合成的具有174。接触角面的化学组成(表面能)和微观几何结构共同决定的超疏水表面(图

3、1)．_2对于AKD的fractal(碎的(粗糙度)．近年来，超疏水性表面引起了人们数几何)结构的系统研究为自然界中植物的叶子的普遍关注，它在人们的日常生活和工业生产中都和一些昆虫所产生的超疏水现象，提供了有用的理起到了非常重要的作用．对于超疏水表面的认识主论依据．12-5]要来自人们对植物叶表面的自清洁效果，人们通过观察植物叶表面的微观结构，认为这种自清洁的特征是由糙表面上微米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共同引起的．超疏水表面是一粗糙表面，具有凹槽和突起结构．液体与其接触时，每个凹槽内截留有空气，导致水无法渗透入凹槽内，即水无法(a)在fractal表面呈现接触角174。

4、，完全接触超疏水表面，从而能够减少水在超疏水表(b)在平滑表面仅呈现小于120。的接触角．[面流动的阻力．通过对植物叶表面的分析，很多研图1小水滴在AKD固体表面上究者展开了超疏水表面的研制．通常，接触角大于基于对AKD结构的观察，我们采用电化学方150。的超疏水性表面可以通过化学和微观几何处法成功制备出超疏水聚十八烷基吡咯薄膜，其接触理的方法来制备．一般来说，化学方法是在粗角大于150。(图2)．同时，针对fractal表面结糙表面上修饰低表面能的物质(氟化物)，而几何构的潜在应用，我们根据生物细胞具有高达174。处理是在疏水材料(接触角大于90。)表面构建粗接触角的超疏水

5、表面这一特性，报道了星形胶质细收稻日期：2013—07—29基金项目：国家自然科学基金(J1210060)作者简介：王争闯(199O一)，男，河南省滑县人，郑州大学化学与分子工程学院本科生．通讯作者：严虎(196o一)，男，吉林省延吉市人，博士，郑州大学化学与分子工程学院教授，主要研究方向：导电性高分子，有机电子器件，超疏水材料，高分子纳米颗粒等；张轲，男，河南省焦作市人，博士，郑州大学化学与分子工程学院讲师，主要研究方向：超疏水材料，功能纳米杂化材料和电子器件的制备与应用．第5期王争闯，张芳芳，张亚楠，等：超疏水材料在水管内壁减阻的应用·63．角，得出与抽水量的关系，进一步

6、得出与节约能量编号为2、3、4的水管重复上述步骤．的关系．2结果与讨论1．3实验步骤取4根等长的PVC水管编号为1、2、3、4．从表l一表4可以看出，涂有减阻性质的超疏对4根水管分别作不同的处理：1号水管内壁水涂料或车蜡的水管内壁，相较于未经任何处理的不做任何处理；2号水管内壁打蜡；3号水管内壁水管内壁，其水流速度明显增加，说明水管内壁经涂疏水材料一；4号水管内壁涂疏水材料二．将4疏水材料处理后能够有效改善水流速度．但对比表根水管在等温条件下放置一段时间．1和表3，可以看出经疏水材料1修饰后的水管内将抽水泵固定在铁架台上，将编号为1的PVC壁，其中水流速度明显低于未经任何处理

7、的水管内水管与抽水泵的入水端紧密连接在一起，水管的另壁中水流速度．通过分析，我们认为这可能是由于一端插入量筒底部．水管内壁涂有的疏水性涂料会改变水管的内径，从将适量的水放入量筒中，记下此时刻度为fl，而造成了不同管径的误差，进而导致计算结果出现闭合抽水泵的开关的同时，按下秒表开始计时，然差异．因此，我们随后采用单位面积的流速来代替后当断开抽水泵开关时立即停止计时．记录此时量单位体积的流速，进一步研究了接触角与单位面积筒刻度为b．所用时间为t．平行测定6组实验．的流速之间的关系．如表5所示．表1对水管内壁