二氧化硅疏水涂层的水下减阻性能研究*

张维珏，熊党生

（南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京210094）

二氧化硅疏水涂层的水下减阻性能研究*

张维珏，熊党生

（南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京210094）

采用溶胶-凝胶法中的Werner Stöber方法制备二氧化硅颗粒，并添加于聚偏二氟乙烯中，喷涂在钢片表面，制得类似荷叶表面结构的疏水涂层。红外光谱测试结果显示，制备的二氧化硅颗粒纯度较高，副产物少。X射线衍射结果表明，二氧化硅颗粒为无定形结构。疏水涂层表面的扫描电镜照片表明，表面颗粒形貌均一，分散性好，具有仿生微粗糙结构。测得涂层水接触角为133°。减阻测试结果表明，低雷诺数下，减阻率大大高于普通聚偏二氟乙烯树脂，最高可达57.6%。减阻效果受二氧化硅颗粒用量的影响，2.5g聚偏二氟乙烯加入0.4g二氧化硅时减阻效果较好。

二氧化硅；疏水涂层；减阻

自然界中生物表面疏水的现象相当普遍，最典型的有以荷叶为代表的多种植物叶子的表面具有莲叶效应［1］。 江雷［2］研究发现，荷叶表面有序分布有平均直径为5～9 μm的乳突，而且每个乳突表面分布有直径约120 nm的绒毛。荷叶表面微米结构的乳突上还存在有纳米结构，这种微米结构与纳米结构相互结合的层次结构使得荷叶表面能较低，是引起荷叶表面疏水的根本原因［3］。

提高水下航行器航速的一个主要因素，就是使其在水下航行时的阻力减小。为了解决这个问题，研究人员采取各种措施，如不断优化水下航行器表面［4］。田军等［5］通过对低表面能减阻涂层的减阻进行一系列的研究，提出低表面能减阻涂层的减阻机理：低表面能材料的表面有疏水性质，使得物体的湍流边界层增厚，层流向湍流转捩点后移，从而降低了阻力。通过提高表面疏水性，降低表面能的方法来减阻，一直是减阻研究的活跃领域之一。采用溶胶-凝胶法中运用较广的 Werner Stöber方法［6］制备 SiO2，添加于聚偏二氟乙烯涂层表面［7］，可形成类似于荷叶乳突的仿生结构，从而进一步提高表面疏水性，降低表面能，实现表面减阻［8］。

1 实验部分

1.1 涂层的制备

首先将正硅酸乙酯（TEOS，分析纯）3 mL溶解于100 mL无水乙醇（分析纯）配制成溶液，再将3 mL浓氨水（分析纯）溶解于上述溶液中，继续搅拌反应22 h，在60℃真空干燥后得到SiO2颗粒。量取N，N-二甲基甲酰胺（DMF，分析纯）40 mL、丁酮（MEF，分析纯）10 mL混合，加入2.5 g聚偏二氟乙烯（PVDF，分析纯），混合均匀后加入一定量SiO2颗粒，并加入5 mL硅烷偶联剂KH570（分析纯），加热搅拌2 h后，将涂层喷涂于钢片表面。

1.2 涂层表征

采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，Tensor27）测定SiO2颗粒纯度；采用X射线衍射仪（XRD，D8 ADVANCE）分析SiO2颗粒的结晶形态；采用扫描电子显微镜（SEM，JSM-6380LV）观察材料表面SiO2颗粒的形貌；采用水接触角测试仪（JC2000X）测定涂层水接触角。

1.3 转盘式阻力测试

采用转盘式流体摩擦阻力测试仪［9］测量涂层减阻效果。以未喷涂的普通钢片表面阻力值为基准，计算并比较PVDF涂层和SiO2疏水涂层在不同雷诺数下的减阻率。减阻率（η）计算公式见式（1），雷诺数通过控制阻力测试仪调节。

式中：T0表示无涂层时受到的阻力矩；T1表示有涂层时受到的阻力矩。

2 结果与讨论

2.1 FT-IR及XRD分析

图1为SiO2颗粒FT-IR谱图。图1中3 440～3 450 cm-1附近较宽的吸收峰对应于—OH的反对称伸缩振动和对称伸缩振动；1 090～1 100 cm-1处出现的强吸收谱带归属于Si—O—Si的反对称伸缩振动吸收峰；780～800 cm-1是二氧化硅中Si—O的特征峰；470 cm-1左右是二氧化硅中Si—O—Si的特征峰。红外光谱分析得出，制备的SiO2颗粒纯度较高，副产物少。

图2是SiO2颗粒XRD谱图。由图2可以看出，在15～35°有一个宽峰，峰值在22°左右，说明制得的SiO2是无定形结构。

2.2 SEM分析

图3是SiO2疏水涂层SEM照片。从图2可以看出，SiO2疏水涂层表面颗粒形貌均一，分散性好，没有明显的团聚，粒子直径较小（小于100 nm），具有一定的仿生微粗糙结构。

2.3 润湿性能分析

图4为钢片表面（a）、PVDF涂层表面（b）及 SiO2疏水涂层表面（c）的水接触角。较之亲水的钢片表面，PVDF涂层本身具有一定的疏水性，疏水角由44°提高到 94°。在 PVDF涂层中加入制备的 SiO2，涂层接触角提高到133°。SiO2疏水涂层表面有类似于荷叶表面的微粗糙结构，一方面减低了表面能，提高了疏水性；另一方面，根据 Cassie 模型［10］，涂层表面微细的粗糙结构在凹坑中有部分空气存在，水滴类似于悬浮于“气垫”上，气液界面较大，水滴趋向于减少自身面积，接触角进一步提高。

2.4 水下减阻结果

图5为不同种类涂层减阻率与雷诺数的关系。由图5可以看出，低雷诺数下，SiO2疏水涂层表现出大大优于PVDF表面的减阻性能，减阻率平均为30%左右，最高达到37.1%，而PVDF涂层减阻率只有15%左右；继续提高雷诺数，两种涂层减阻率都有所下降，但SiO2疏水涂层的减阻率仍然高于PVDF；在高雷诺数下，即雷诺数大于5.6×105时，PVDF涂层基本不具有减阻效果，减阻率为负值，而SiO2疏水涂层仍然具有10.59%的减阻率。SiO2疏水涂层在各种流体状态中都具有一定的减阻效果，在低雷诺数下表现更佳。SiO2疏水涂层与PVDF涂层比较，表面的微粗糙结构使得疏水性更强，表面能更低，使得湍流边界层增厚，层流向湍流转捩点后移，从而降低了阻力，提高了减阻效果［11］。

按 SiO2颗粒加入量分别为 0.2、0.4、0.8 g（2.5 g PVDF）制得A、B、C 3组疏水涂层试样，采用减阻实验测试不同试样的减阻效果，实验结果见图6。由图6看出，疏水涂层在较低雷诺数下都具有减阻效果；试样B减阻率最高可以达到57.6%，在不同流体状态下，其减阻效果均优于其他两组样品。SiO2颗粒用量较低的试样A也具有一定的减阻效果，在低雷诺数下，减阻率最高达到38.2%，高雷诺数下减阻率则为负值。试样B在低雷诺数下减阻效果较好，在高雷诺数下也能起到减阻作用，减阻率能达到10%左右。试样C减阻效果较B有一定程度的下降。原因可能是，SiO2颗粒用量较低时，表面形成一定密度、稀疏的微粗糙结构，一定程度上提高了减阻率；随着SiO2颗粒用量的增加，表面微粗糙结构变得致密，形成较好的疏水构型，降低了表面能，减阻率明显提高；当SiO2颗粒用量增加到一定限度之后，表面颗粒发生团聚，微粗糙结构被破坏，反而使得减阻效果降低。

3 结论

采用溶胶-凝胶法中的Werner Stöber方法制备的SiO2颗粒纯度较高，副产物少，具有无定形结构。将其添加到PVDF树脂制得SiO2涂层，喷涂钢片表面形成形貌均一、分散性好的仿生微粗糙结构。该涂层与水接触角大于130°，具有较好的疏水性能。疏水的微粗糙结构使得表面能更低，湍流边界层增厚，层流向湍流转捩点后移，从而降低了阻力，提高了减阻效果。SiO2疏水涂层减阻效果显著优于普通PVDF树脂，低雷诺数下疏水涂层减阻率最高能达到57.6%。改变SiO2颗粒的用量，可以改变疏水涂层的减阻效果，其中，2.5 g PVDF加入0.4 g SiO2时减阻效果较好。

［1］Barthlott W.Neinhuis C.Purity of the sacred lotus，or escape from contaminationinbiologicalsurfaces［J］.Planta，1997，202（7）：1-8.

［2］江雷.从自然到仿生的超疏水纳米界面材料［J］.新材料产业，2003（3）：60-62.

［3］Gu Z-Z，Uetsuka H，Takahashi K，et al.Structure color and the lotus effect［J］.Angew.Chem.Int.Ed.， 2003，42（8）：894-897.

［4］侯晖昌.减阻力学［M］.北京：科学出版社，1987：43-45.

［5］田军，徐锦芬.低表面能涂层的减阻试验研究［J］.水动力学研究与进展，1997，12（1）：27-32.

［6］Werner Stöber，Arthur Fink.Controlled growth of monodisperse silicaspheresinthemicrosizerange［J］.J.ColloidInterfaceSci.，1968，1968，26：62-69.

［7］Gao Haiyan，Shu Da，Wang Jun，et al.Manufacturing OFC with recycled copper by charcoal-filtration［J］.Mater.Lett.，2006，60（7）：481-484.

［8］Torgeir N，Morten T，Bo N.Effects of molar mass，concentration and thermodynamic conditions on polymer-induced flow drag reduction［J］.Eur.Polym.J.，2004，40（4）：181-186.

［9］南京理工大学.转盘式流体摩擦阻力测试仪：中国，201285344［P］.2009-08-05.

［10］Cassie A，Baxter S.Wettability of porous surfaces［J］.Trans.Faraday Soc.，1944，40（3）：546-551.

［11］Moharmed G H.Compliant coating for drag reduction ［J］.Prog.Aerosp.Sci.，2002，38（3）：77-79.

Study on underwater drag reducing properties of SiO2hydrophobic coating

Zhang Weijue，Xiong Dangsheng
（School of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

SiO2particles prepared by the Stöber method，one sort of sol-gel method，was added to polyvinylidene fluoride（PVDF），so that the coating structure on the steel disc was similar to the lotus leaf surface.FT-IR analysis showed the prepared SiO2particles were high in purity with little by-products.XRD analysis showed that the structure of SiO2microspheres was amorphous.SEM image showed that the SiO2particles on the surface of the coating were uniformly distributed with uniform morphology and bionic micro-rough structure.The contact angle of the hydrophobic coating could reach 133°，and the drag reduction test showed the DR rate of the hydrophobic coating was much higher than that of PVDF coating at low reynolds number and it could be as high as 57.6%.The amount of SiO2particles could affect the drag reduction at extent，which was better when added SiO2of about 0.4 g into PVDF of 2.5 g.

SiO2；hydrophobic coating；drag reduction

TQ127.2

A

1006-4990（2012）09-0014-03

国家自然科学基金项目（50975145）。

2012-03-21

张维珏（1987— ），男，硕士，从事材料表面处理及水下减阻方面的研究。

联 系 人：熊党生

联系方式：405856428@qq.com