X90管线钢超疏水表面的制备及功能性研究

摘要

随着社会发展对能源等的管线运输日益严苛的要求，使得具有较高的抗变形能力和低屈强比的X90管线钢有望成为下一代产业应用的高强度大口径管线用钢，但是管线用钢大都易被腐蚀，并且液体输送管线还存在粘附阻力的问题，严重影响其应用效果。金属铜具有较好的耐腐蚀性，可以作为管线钢理想的保护层，而超疏水表面不但具有防粘附性可大大降低液体的输送阻力，且其本身也存在抑制腐蚀的作用，所以，可通过在涂覆有铜保护层的X90管线钢基体上制备超疏水表面来达到防腐和减阻的目的。但目前超疏水表面大都存在着制备实验条件苛刻以及成本较高等问题，同时稳定性特别是机械稳定性较差也严重制约了其应用，因此开展该方面的研究工作具有十分积极的意义。 本论文采用电沉积方法在X90管线钢表面制备Cu保护层，再经水热反应及全氟辛酸修饰，最终获得超疏水表面，该方法无需复杂设备，过程简单，成本低廉。采用单因素变量法研究了主要实验参数：水热反应主盐浓度、水热反应时间、水热反应温度以及全氟辛酸浸泡时间对试样表面润湿性的影响，确定了最佳制备工艺。最终获得的试样表面与水滴的静态接触角为161.24°，滚动角为3°左右，体现出超疏水性。通过扫描电镜对微观形貌进行观察，结果显示超疏水表面形成了由纳米级的“花瓣”状结构组成的微米级的“花朵”状的CuO微纳米混合粗糙结构，这种多尺度结构可以阻挡水滴的侵入，使得表面难以被润湿，由Cassie方程计算得到水滴与该结构间的气体截留率为95.1%；3D分析形貌表明该微纳米结构在提高表面粗糙度的同时，保证了偏斜度的绝对数值极小；分形维数也定量地表明该微纳米结构提高了表面的多尺度性。采用X射线能谱和傅里叶红外光谱研究了超疏水表面的化学成分，结果显示低能修饰物全氟辛酸成功地嫁接到了表面上，其与微纳米混合粗糙结构共同作用赋予了表面超疏水性。 同时，对获得的超疏水表面的相关功能特性进行了研究。超疏水表面除对水滴体现出超疏水性外，对其他表面张力不同的液滴甚至是油类也均表现出较优的疏液性；在无外力等因素的干扰下表面体现出较好的防粘附性能，具有如“荷叶效应”般良好的自清洁性，当有外力作用在水滴上时，表面的润湿形态由稳定的Cassie状态变为Cassie浸渍状态，产生了一定的粘附力，通过建立模型阐述了该润湿形态的转变机理。研究了制备的超疏水表面的稳定性：在6个月的自然静置时间内表面接触角和滚动角几乎不变，证明表面的超疏水性是长效稳定的；通过热稳定实验发现表面在200℃以下可以保持超疏水性，当温度高于250℃以上时由于表面低能修饰物全氟辛酸发生热分解，表面转变为超亲水性；机械磨损实验显示表面经过800mm的磨损依然能保持超疏水性，说明表面具有较好的机械稳定性。超疏水表面的润湿性对溶液的pH具有响应性，经研究发现强酸溶液会破坏表面的微观形貌，而强碱溶液则会对表面的微观形貌和化学成分同时造成破坏，因此表面不宜应用于强碱环境。电化学测试结果表明，超疏水表面的自腐蚀电位比X90钢基体高一个数量级，腐蚀电流密度则小两个数量级，容抗弧半径也远比X90钢基体大，显示出所制备的超疏水表面具有良好的耐腐蚀性，通过拟合电路对腐蚀机理进行了阐释。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题目的与意义

1.2 固体表面润湿性原理

1.2.1 接触角定义及杨氏方程

1.2.2 Wenzel方程和Cassie方程

1.2.3 前进角、后退角及接触角滞后

1.2.4 滚动角

1.3 仿生超疏水表面制备的研究现状

1.3.1 刻蚀法

1.3.2 沉积法

1.3.3 溶胶-凝胶法

1.3.4 静电纺丝法

1.3.5 模板印刷法

1.3.6 水热法

1.4 仿生超疏水表面应用的研究现状

1.4.1 响应开关

1.4.2 自清洁

1.4.3 流体减阻

1.4.4抗结冰

1.4.5防腐蚀

1.4.6 油水分离

1.4.7 抗血小板黏附

1.5 本文主要研究内容

第二章 试验材料、设备与方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试样的制备方法

2.3.1电沉积过程

2.3.2 水热反应过程

2.3.3 低能修饰过程

2.4 试样的表征方法

2.4.1接触角/滚动角测试

2.4.2 微观形貌观察

2.4.3 3D形貌观察

2.4.4 相组成分析

2.4.5 化学成分测试

2.4.6 电化学测试

2.5 本章小结

第三章 X90管线钢超疏水表面的制备及表征

3.1 引言

3.2实验参数对润湿性的影响

3.2.1 水热反应主盐浓度的影响

3.2.2 水热反应时间和温度的影响

3.2.3 全氟辛酸浸泡时间的影响

3.3 表面润湿性分析

3.4 表面形貌分析

3.4.1 表面微观形貌（SEM）分析

3.4.2 表面3D形貌分析

3.4.3 表面分形维数分析

3.5 表面相组成分析

3.6 表面化学成分分析

3.6.1 表面EDS分析

3.6.2 表面FT-IR分析

3.7 本章小结

第四章 X90管线钢超疏水表面的功能性研究

4.1 引言

4.2 疏液多样性研究

4.3 防粘附性能研究

4.4 自清洁性研究

4.5 稳定性研究

4.5.1 长效稳定性

4.5.2热稳定性

4.5.3 机械稳定性

4.6 耐酸碱性研究

4.7 耐腐蚀性研究

4.7.1 动电位极化曲线分析

4.7.2交流阻抗分析

4.7.3 腐蚀机理分析

4.8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢