超疏水材料在水管内壁减阻中的应用研究

朱敏燕，杨银泳

（临海伟星新型建材有限公司，浙江 临海 317000）

我国材料化学研究起步晚，但研究成果丰富，为现代材料化学发展提供了重要的学术保障。目前，超疏水材料技术比较成熟，是水管制造生产中的重要技术方向。在超疏水材料的应用中，水管性能得到明显改善，特别是实现水管内壁减阻，成为其应用于水管领域的重要内容。实际上，超疏水材料的疏水性能良好，为更好地探究其应用效果，从机理作用中强化对超疏水材料的理解认识、模型分析，提高疏水材料功能的认识程度。因此，本文立足对超疏水材料进行研究，就其在水管内壁减阻进行系统阐述。

1 超疏水材料在水管内壁减阻的作用机理

随着材料化学技术的不断发展，超疏水材料的制备及应用，为水管性能改善起到了重要作用。目前，超疏水材料的应用十分广泛，在水管内壁减阻中的应用，就是基于其疏水性能，提高水管内壁的疏水功能。因此，为更好地研究超疏水材料的应用，就其作用机理与模型建立进行阐述。

1.1 作用机理

早在上世纪末，人类就对自然界的“生物超疏水”现象展开研究，并逐步发展成为材料化学的重要研究领域。自然接种、植物的叶子和昆虫的翅膀等，都具备超疏水功能。因此，依照自然生物的生理现象，仿生超水材料的制备及应用，在水管内壁减阻中得到应用。从超疏水材料的特性来说，其应用于水管内壁减阻主要有两大方面的作用机理：一是超疏水材料能够在水管表面形成精细的微观结构，能够保持内壁良好的疏水性能。如，等离子表面处理法和静电纺丝法等，均是超疏水材料应用的重要技术载体，实现水管内壁减阻的效果；二是通过对水管内壁低自由能物质进行表面修饰，以实现对自由官能团的有效吸附。目前，超疏水材料的制备及应用技术比较成熟，在水管内部减阻中的应用，成为材料化学研究的重要内容，对于改善水管性能具有重要研究意义。

1.2 建立模型

超疏水现象是常见的自然现象，其在水管内部减阻中的应用效果，主要在于材料表面的自由能以及微观结构。因此，本文依照“Young’s方程”建立模型，就水管内部表面的浸润性进行研究。目前，超疏水材料的应用模型十分广泛，为更好地实现模型的建立，主要如图1所示展开。

图1 超疏水材料的表面模型

公式1：γLGcosθY=γSG－γSL（图1-（a）），

公式2：cosθw=γcosθY（图1-（b）），

其中，r=实际表面积/投影面积。

在该模型中，通过对r的放大，可以更好地从超疏水性能中，得出其应用于水管内壁减阻中的效果。从模型研究中可以得出：（1）在θY＜90°之时，超疏水材料的表面亲水性会随着r的增加，减小θw。这说明，在材料表明粗糙度不断增加的情况之下，随着亲水性的不断提高，可促使水管内壁的疏水性效果更佳；（2）该模型为理想状态，水管表面的润湿现象可能与模型不符，特别是水管表面的形貌、膨胀情况等要素，会对超疏水材料造成一定影响。因此，超疏水材料在水管内壁减阻中的应用，能够基于疏水性能的有效构建，最大程度地减少内壁阻力，形成良好的应用效果。

2 超疏水材料在水管内壁减阻中的应用及效果

目前，超疏水材料技术比较成熟，其广泛的应用及良好效果，决定其在现代材料化学中的重要性。超疏水材料以自然界“超疏水生物”现象为载体，实现了现代仿生超疏水材料的制备，并在水管制造等方面有着广泛应用。从实际而言，超疏水材料可实现水管内壁减阻，体现超疏水材料的疏水功能，保障了超疏水材料在水管内壁减阻中的重要作用。因此，为更好地研究其应用效果，将主要围绕水管流量及表面材料稳定性2个方面展开。

2.1 超疏水材料的具体应用

在水管功能设计中，如何更好地发挥现代材料化学的重要作用，水管性能进行改善，实现内壁受阻问题的有效解决，成为超疏水材料研究的重要方向。首先，超疏水材料的制备技术及条件比较成熟，可以在超疏水材料的应用中提供技术保障。如，在水管内壁设计中，应强化对超疏水材料的应用，提高水管表面的亲水程度，这是超疏水材料应用的前期基础；其次，超疏水材料的制备方法多样化，为更好地满足水管内壁减阻需要，应充分运用喷雾法、溶液浸泡法和溶胶-凝胶法等，提高超疏水材料的应用效果；再次，超疏水材料的技术比较成熟，在水管内壁减阻中的应用，应遵循科学合理原则，发挥超疏水材料的“性能”，对木器水管内壁阻力增加等问题进行梳理解决，提高实际应用效果。

2.2 超疏水材料的应用效果

为更好地阐述超疏水材料的应用效果，本文选择不同管径状态下的流动情况，以更加客观真实地反应其应用效果。不同管径状态下的流动情况见表1。从表1可以知道，在不同管径状态之下，超疏水材料的应用效果不同，且随着管径的增加，所形成的疏水效果更显著，及对内壁减阻的效果更佳，能够更好地满足水管内壁的减阻需要。

表1 不同管径状态下的流动情况

2.1.1 流量情况

在水管内壁减阻效果的分析中，不同材料状态下的流量情况是直接反应。为此，在研究中发现，超疏水材料的应用，同一管径下的水流量存在显著新差异，即应用超疏水材料的水管，其流量明显多于普通水管如图2所示，这就说明，超疏水材料在水管内壁减阻中具有较好效果。对于普通水管而言，水管流量处于稳定状态，但对于使用超疏水材料的水管而言，随着不断地使用，水管疏水效果不断提高，流量随着时间推移超过普通水管，充分说明了超疏水材料在水管内壁减阻的应用效果。

图2 超疏水材料水管与普通水管流量情况

2.1.2 水管表面材料的稳定性

随着材料化学技术的不断发展，水管表面材料的应用日益广泛。从材料的稳定性而言，超疏水材料的稳定性更好，能够满足不同环境条件下的应用需求。而对于普通水管而言，表面材料具有一定的不稳定性，在恶劣环境条件之下，出现开裂、脱落等问题，影响内壁疏水效果，也进一步说明超疏水材料的应用优势，如图3所示。因此，在超疏水材料的应用中，稳定的材料性能及技术优势决定了其在水管内壁减阻中的应用价值。

图3 超疏水材料在应用中的性能稳定情况

3 结束语

综上所述，随着超疏水材料技术的不断发展，其应用于水管内壁减阻，可以更好地发挥疏水材料的疏水作用，体现超疏水材料的应用价值。在本文研究中，超疏水材料可以基于水管表面形成亲水性能，减少水管内壁的阻力，并且通过模型的建立分析，超疏水材料在θY＜90°之时，超疏水材料的表面亲水性会随着r的增加，减小θw，在水管内建筑中形成重要作用。超疏水材料在水管内壁减阻中的应用，是基于超疏水材料的技术优势，为水管性能的提高提供了重要支撑，也是新时期超疏水材料应用的重要基础。