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天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)CEJ：耐久型高效抗粘附超雙疏功能涂層

2021-07-15 16:04:33 作者：高分子科學(xué)前沿來源：高分子科學(xué)前沿分享至：

【背景介紹】

原油生產(chǎn)過程中的蠟沉積問題長期以來困擾著石油化工領(lǐng)域的從業(yè)者們，其會(huì)導(dǎo)致諸如石油運(yùn)輸管道有效面積減小和生產(chǎn)能耗增大等一系列問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道破裂、設(shè)備故障、減產(chǎn)和停產(chǎn)等安全和經(jīng)濟(jì)問題。在眾多防蠟技術(shù)中，防蠟涂層技術(shù)具有效果好、成本低和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，從而受到研究人員的廣泛關(guān)注。然而，由于存在抗粘附效率低、耐久度差和功能單一等不足，現(xiàn)有報(bào)道的防蠟涂層的應(yīng)用受到了極大限制。對(duì)于各類油污具有優(yōu)異的抗粘附性能的超雙疏涂層可能是解決該問題的有效途徑，然而，當(dāng)前超雙疏涂層的耐久度與拒液性之間的兼顧仍是亟待解決的難題。

【成果簡(jiǎn)介】

針對(duì)上述難題，天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)利用順序噴涂策略，將高度氟化的納米黏土坡縷石@二氧化硅（Pal@SiO2-F）復(fù)合填料引入商業(yè)樹脂聚醚砜（PES）和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）體系中，開發(fā)了一種耐久型功能的超雙疏涂層（P-P/Pal@SiO2-F coating）。該超雙疏涂層表面具有豐富的乳突和發(fā)達(dá)的微網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加之填料和聚合物提供的低表面能基團(tuán)，共同賦予了涂層穩(wěn)定的氣膜以實(shí)現(xiàn)對(duì)原油的超強(qiáng)拒液性。將涂層應(yīng)用于管道中時(shí)，其能夠高效地運(yùn)輸原油。而且，涂層的氣膜可以作為抗粘層和隔熱層，從而展現(xiàn)出高達(dá)90.9%的防蠟沉積率。通過涂層結(jié)構(gòu)和組成穩(wěn)定性之間的協(xié)同，涂層即使在遭受砂紙磨損、高壓水沖、強(qiáng)腐蝕性液體浸泡等機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試后仍具備優(yōu)異的抗粘附性能。近期，上述研究成果以“Robust and multifunctional superamphiphobic coating toward effective anti-adhesion”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，論文的第一作者為天津大學(xué)化工學(xué)院碩士生彭建文，通訊作者為天津大學(xué)化工學(xué)院汪懷遠(yuǎn)教授。

【圖文解析】

在這項(xiàng)工作中，作者對(duì)比了原油在超雙疏P-P/Pal@SiO2-F涂層、商業(yè)雙疏涂層以及鋁板表面的潤濕性，結(jié)果顯示P-P/Pal@SiO2-F涂層區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)原油的超強(qiáng)排斥。此外，該涂層在原油中經(jīng)歷了2000次的浸入-提出循環(huán)和30天的浸泡后仍能保持高疏油性（圖1）。得益于噴涂策略的可拓展性，作者將涂層制備于管道內(nèi)部，并探究了原油在涂層表面的運(yùn)輸效率。如圖2可見，原油在流經(jīng)涂層管道后不會(huì)留下污漬，相比之下，無涂層的鋁管則被原油徹底污染。在原油流速的對(duì)比中，不論管道的傾斜角如何，涂層鋁管均顯示出高于普通鋁管兩倍以上的流速，并且原油流經(jīng)涂層管道后的收集率高達(dá)99.3%。以上結(jié)果證實(shí)了由高度氟化的納米復(fù)合填料與商業(yè)樹脂構(gòu)建的超雙疏涂層具有優(yōu)異的防原油粘附和原油運(yùn)輸性能，該性能來源于涂層表面充當(dāng)防粘層的穩(wěn)定氣膜。

圖1：（a）原油液滴在不同表面的滾動(dòng)情況；（b）原油在涂層區(qū)域“TJU”和無涂層區(qū)域的潤濕性；（c）水和原油的接觸角隨涂層在原油中浸入-提出循環(huán)次數(shù)的變化；（d）水和原油的接觸角隨涂層在原油中浸泡天數(shù)的變化。

圖2：（a）原油運(yùn)輸測(cè)試的示意圖；（b）水和原油在鋁管和涂層鋁管內(nèi)的運(yùn)輸對(duì)比；（c）原油流經(jīng)不同傾斜角度的鋁管和涂層鋁管的速度；（d）原油流經(jīng)不同傾斜角度的涂層鋁管的收集率。

原油生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中廣泛存在的蠟沉積是一個(gè)棘手的問題，為此，作者進(jìn)一步探究了超雙疏P-P/Pal@SiO2-F涂層在含蠟原油體系中對(duì)于蠟的防粘附/沉積性能。如圖3所示，涂層在含蠟原油中浸泡后的防蠟粘附率可達(dá)94.7%。此外，在基于冷指法設(shè)計(jì)的防蠟沉積裝置的評(píng)價(jià)中，該超雙疏涂層顯示出了高達(dá)90.9%的防蠟沉積率，并且在延長沉積時(shí)間后涂層仍然具有優(yōu)異的防蠟穩(wěn)定性。作者提出了基于涂層表面的穩(wěn)定氣膜實(shí)現(xiàn)防原油粘附、原油運(yùn)輸及防蠟沉積性能的相關(guān)機(jī)理（圖4）。穩(wěn)定的氣膜可作為優(yōu)異的防粘附層和隔熱層，為涂層提供極強(qiáng)的原油拒液性，確保原油在基材表面的快速流動(dòng)，并削弱原油向基材的傳熱效率，從而降低原油和蠟在基材表面粘附和沉積，具有防污減阻效果。

圖3：（a）涂層鋁板和純鋁板在抗蠟粘附測(cè)試中的照片；（b）浸沒時(shí)間對(duì)涂層鋁板和純鋁板防蠟粘附率的影響；（c）不同涂層樣品的結(jié)蠟量和防蠟沉積率R；（d）蠟沉積時(shí)間對(duì)于涂層的防蠟沉積率的影響。

圖4：（a1，a2）碳鋼表面和（b1，b2）涂層碳鋼表面的防蠟沉積機(jī)理示意圖

【小結(jié)】

綜上，該團(tuán)隊(duì)圍繞原油生產(chǎn)過程中的蠟沉積和流動(dòng)減阻問題，以涂層表界面強(qiáng)化和微/納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為關(guān)鍵手段，通過簡(jiǎn)便的噴涂法將高度氟化的復(fù)合填料與商業(yè)樹脂有機(jī)結(jié)合，制備了一種耐久型多功能的超雙疏涂層。所制備的涂層對(duì)原油等低表面張力液體具有超強(qiáng)拒液性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)原油的長效防粘附和高效運(yùn)輸。此外，在含蠟原油體系中，涂層顯示出高達(dá)90.9%的防蠟沉積率。該工作為防蠟涂層的設(shè)計(jì)與制備提供了新的思路，為超雙疏表面開拓了全新的應(yīng)用前景，在許多實(shí)際的高粘流體工業(yè)過程中，特別是在石油工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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