朱敏燕，楊銀泳

（臨海偉星新型建材有限公司，浙江 臨海 317000）

我國材料化學(xué)研究起步晚，但研究成果豐富，為現(xiàn)代材料化學(xué)發(fā)展提供了重要的學(xué)術(shù)保障。目前，超疏水材料技術(shù)比較成熟，是水管制造生產(chǎn)中的重要技術(shù)方向。在超疏水材料的應(yīng)用中，水管性能得到明顯改善，特別是實現(xiàn)水管內(nèi)壁減阻，成為其應(yīng)用于水管領(lǐng)域的重要內(nèi)容。實際上，超疏水材料的疏水性能良好，為更好地探究其應(yīng)用效果，從機(jī)理作用中強(qiáng)化對超疏水材料的理解認(rèn)識、模型分析，提高疏水材料功能的認(rèn)識程度。因此，本文立足對超疏水材料進(jìn)行研究，就其在水管內(nèi)壁減阻進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

1 超疏水材料在水管內(nèi)壁減阻的作用機(jī)理

隨著材料化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，超疏水材料的制備及應(yīng)用，為水管性能改善起到了重要作用。目前，超疏水材料的應(yīng)用十分廣泛，在水管內(nèi)壁減阻中的應(yīng)用，就是基于其疏水性能，提高水管內(nèi)壁的疏水功能。因此，為更好地研究超疏水材料的應(yīng)用，就其作用機(jī)理與模型建立進(jìn)行闡述。

1.1 作用機(jī)理

早在上世紀(jì)末，人類就對自然界的“生物超疏水”現(xiàn)象展開研究，并逐步發(fā)展成為材料化學(xué)的重要研究領(lǐng)域。自然接種、植物的葉子和昆蟲的翅膀等，都具備超疏水功能。因此，依照自然生物的生理現(xiàn)象，仿生超水材料的制備及應(yīng)用，在水管內(nèi)壁減阻中得到應(yīng)用。從超疏水材料的特性來說，其應(yīng)用于水管內(nèi)壁減阻主要有兩大方面的作用機(jī)理：一是超疏水材料能夠在水管表面形成精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，能夠保持內(nèi)壁良好的疏水性能。如，等離子表面處理法和靜電紡絲法等，均是超疏水材料應(yīng)用的重要技術(shù)載體，實現(xiàn)水管內(nèi)壁減阻的效果；二是通過對水管內(nèi)壁低自由能物質(zhì)進(jìn)行表面修飾，以實現(xiàn)對自由官能團(tuán)的有效吸附。目前，超疏水材料的制備及應(yīng)用技術(shù)比較成熟，在水管內(nèi)部減阻中的應(yīng)用，成為材料化學(xué)研究的重要內(nèi)容，對于改善水管性能具有重要研究意義。

1.2 建立模型

超疏水現(xiàn)象是常見的自然現(xiàn)象，其在水管內(nèi)部減阻中的應(yīng)用效果，主要在于材料表面的自由能以及微觀結(jié)構(gòu)。因此，本文依照“Young’s方程”建立模型，就水管內(nèi)部表面的浸潤性進(jìn)行研究。目前，超疏水材料的應(yīng)用模型十分廣泛，為更好地實現(xiàn)模型的建立，主要如圖1所示展開。

圖1 超疏水材料的表面模型

公式1：γLGcosθY=γSG－γSL（圖1-（a）），

公式2：cosθw=γcosθY（圖1-（b）），

其中，r=實際表面積/投影面積。

在該模型中，通過對r的放大，可以更好地從超疏水性能中，得出其應(yīng)用于水管內(nèi)壁減阻中的效果。從模型研究中可以得出：（1）在θY＜90°之時，超疏水材料的表面親水性會隨著r的增加，減小θw。這說明，在材料表明粗糙度不斷增加的情況之下，隨著親水性的不斷提高，可促使水管內(nèi)壁的疏水性效果更佳；（2）該模型為理想狀態(tài)，水管表面的潤濕現(xiàn)象可能與模型不符，特別是水管表面的形貌、膨脹情況等要素，會對超疏水材料造成一定影響。因此，超疏水材料在水管內(nèi)壁減阻中的應(yīng)用，能夠基于疏水性能的有效構(gòu)建，最大程度地減少內(nèi)壁阻力，形成良好的應(yīng)用效果。

2 超疏水材料在水管內(nèi)壁減阻中的應(yīng)用及效果

目前，超疏水材料技術(shù)比較成熟，其廣泛的應(yīng)用及良好效果，決定其在現(xiàn)代材料化學(xué)中的重要性。超疏水材料以自然界“超疏水生物”現(xiàn)象為載體，實現(xiàn)了現(xiàn)代仿生超疏水材料的制備，并在水管制造等方面有著廣泛應(yīng)用。從實際而言，超疏水材料可實現(xiàn)水管內(nèi)壁減阻，體現(xiàn)超疏水材料的疏水功能，保障了超疏水材料在水管內(nèi)壁減阻中的重要作用。因此，為更好地研究其應(yīng)用效果，將主要圍繞水管流量及表面材料穩(wěn)定性2個方面展開。

2.1 超疏水材料的具體應(yīng)用

在水管功能設(shè)計中，如何更好地發(fā)揮現(xiàn)代材料化學(xué)的重要作用，水管性能進(jìn)行改善，實現(xiàn)內(nèi)壁受阻問題的有效解決，成為超疏水材料研究的重要方向。首先，超疏水材料的制備技術(shù)及條件比較成熟，可以在超疏水材料的應(yīng)用中提供技術(shù)保障。如，在水管內(nèi)壁設(shè)計中，應(yīng)強(qiáng)化對超疏水材料的應(yīng)用，提高水管表面的親水程度，這是超疏水材料應(yīng)用的前期基礎(chǔ)；其次，超疏水材料的制備方法多樣化，為更好地滿足水管內(nèi)壁減阻需要，應(yīng)充分運(yùn)用噴霧法、溶液浸泡法和溶膠-凝膠法等，提高超疏水材料的應(yīng)用效果；再次，超疏水材料的技術(shù)比較成熟，在水管內(nèi)壁減阻中的應(yīng)用，應(yīng)遵循科學(xué)合理原則，發(fā)揮超疏水材料的“性能”，對木器水管內(nèi)壁阻力增加等問題進(jìn)行梳理解決，提高實際應(yīng)用效果。

2.2 超疏水材料的應(yīng)用效果

為更好地闡述超疏水材料的應(yīng)用效果，本文選擇不同管徑狀態(tài)下的流動情況，以更加客觀真實地反應(yīng)其應(yīng)用效果。不同管徑狀態(tài)下的流動情況見表1。從表1可以知道，在不同管徑狀態(tài)之下，超疏水材料的應(yīng)用效果不同，且隨著管徑的增加，所形成的疏水效果更顯著，及對內(nèi)壁減阻的效果更佳，能夠更好地滿足水管內(nèi)壁的減阻需要。

表1 不同管徑狀態(tài)下的流動情況

2.1.1 流量情況

在水管內(nèi)壁減阻效果的分析中，不同材料狀態(tài)下的流量情況是直接反應(yīng)。為此，在研究中發(fā)現(xiàn)，超疏水材料的應(yīng)用，同一管徑下的水流量存在顯著新差異，即應(yīng)用超疏水材料的水管，其流量明顯多于普通水管如圖2所示，這就說明，超疏水材料在水管內(nèi)壁減阻中具有較好效果。對于普通水管而言，水管流量處于穩(wěn)定狀態(tài)，但對于使用超疏水材料的水管而言，隨著不斷地使用，水管疏水效果不斷提高，流量隨著時間推移超過普通水管，充分說明了超疏水材料在水管內(nèi)壁減阻的應(yīng)用效果。

圖2 超疏水材料水管與普通水管流量情況

2.1.2 水管表面材料的穩(wěn)定性

隨著材料化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水管表面材料的應(yīng)用日益廣泛。從材料的穩(wěn)定性而言，超疏水材料的穩(wěn)定性更好，能夠滿足不同環(huán)境條件下的應(yīng)用需求。而對于普通水管而言，表面材料具有一定的不穩(wěn)定性，在惡劣環(huán)境條件之下，出現(xiàn)開裂、脫落等問題，影響內(nèi)壁疏水效果，也進(jìn)一步說明超疏水材料的應(yīng)用優(yōu)勢，如圖3所示。因此，在超疏水材料的應(yīng)用中，穩(wěn)定的材料性能及技術(shù)優(yōu)勢決定了其在水管內(nèi)壁減阻中的應(yīng)用價值。

圖3 超疏水材料在應(yīng)用中的性能穩(wěn)定情況

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著超疏水材料技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用于水管內(nèi)壁減阻，可以更好地發(fā)揮疏水材料的疏水作用，體現(xiàn)超疏水材料的應(yīng)用價值。在本文研究中，超疏水材料可以基于水管表面形成親水性能，減少水管內(nèi)壁的阻力，并且通過模型的建立分析，超疏水材料在θY＜90°之時，超疏水材料的表面親水性會隨著r的增加，減小θw，在水管內(nèi)建筑中形成重要作用。超疏水材料在水管內(nèi)壁減阻中的應(yīng)用，是基于超疏水材料的技術(shù)優(yōu)勢，為水管性能的提高提供了重要支撐，也是新時期超疏水材料應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。