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纳米二氧化硅/聚偏二氟乙烯疏水涂层的制备及减阻性能研究
作 者: 张维珏
导 师: 熊党生
学 校: 南京理工大学
专 业: 材料工程
关键词: 低表面能 疏水涂层 SiO2 PVDF 水下减阻 转盘式阻力测试仪
分类号: TB383.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要
低表面能法是降低流体摩擦阻力有效的方法。通过降低材料表面能,可以使物体壁面与水不会产生很强的亲合性,流速梯度减小,从而减小了壁面的切变应力,使平板的湍流边界层增厚,转捩点后移,从而降低流体摩擦阻力。低表面能减阻涂层不仅能够为船舰起到减阻,防污的作用,还能运用于输油管道内壁,减少输运中的能量消耗,有效预防输油管道堵塞,在国防,工业都有着广泛的应用。本文采用溶胶-凝胶法中的st6ber法制备SiO2颗粒,并添加于聚偏二氟乙烯(PVDF)中,喷涂在钢片表面制得类似荷叶的表面结构,形成SiO2疏水涂层,以进一步降低表面能。利用红外吸收光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段分析制备的SiO2颗粒;利用光学显微镜,扫描电镜等手段观察分析涂层喷涂后表面形貌,利用JC2000X型接触角测定仪测量疏水角;利用转盘式阻力测试仪对试样进行水下减阻性能测试,研究不同涂层成分对疏水,减阻性能的影响。红外测试显示制备的SiO2颗粒纯度较高,副产物少,XRD测试表明,SiO2颗粒为无定形Si02结构。对SiO2颗粒的SEM测试表明颗粒没有明显的团聚,粒子直径较小,疏水涂层表面的SEM表明其表面颗粒形貌均一,分散性好,具有仿生微粗糙结构,涂层水接触角可达133°。减阻测试表明,随着SiO2疏水涂层疏水角的提高,减阻效果也逐步提高;涂层在低雷诺数和高雷诺数下都具备减阻效果,低雷诺数(0.04×106-0.16×106)下减阻效果较好,最高可达57.6%,高雷诺数(0.8×106)下某些试样仍然可以保持20%左右的减阻率;减阻效果一定程度上受SiO2颗粒大小和用量的影响,颗粒较小,用量0.6g左右时减阻效果较好;涂层具有一定耐候性,长期水下浸泡仅使减阻率下降5%左右。
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全文目录
摘要 5-6 Abstract 6-11 1 绪论 11-28 1.1 引言 11-12 1.2 疏水表面的研究概况及发展趋势 12-20 1.2.1 材料表面疏水的原理 12-15 1.2.2 疏水表面的研究进展 15-18 1.2.3 仿生疏水 18-20 1.3 水下减阻的研究进展 20-26 1.3.1 仿生材料减阻 21-22 1.3.2 复合材料减阻 22-23 1.3.3 减阻剂减阻 23-24 1.3.4 减阻涂层减阻 24-26 1.4 本文研究的主要内容及意义 26-28 1.4.1 研究内容 26-27 1.4.2 研究意义 27-28 2 材料制备与性能测试方法 28-34 2.1 实验方案 28-29 2.2 实验原料和仪器 29-30 2.3 制备原理及设计思路 30-34 2.3.1 溶胶-凝胶法 30-32 2.3.2 实验设计思路 32-34 3 纳米SiO_2疏水涂层的制备与测试 34-42 3.1 引言 34 3.2 实验材料 34-39 3.2.1 聚偏二氟乙烯的结构与性能 34-37 3.2.2 正硅酸乙酯的结构与性能 37-39 3.3 实验具体操作步骤 39-40 3.3.1 纳米SiO_2颗粒的制备 39 3.3.2 PVDF溶液的制备 39 3.3.3 纳米SiO_2疏水涂层的制备 39-40 3.4 结构分析及性能测试 40-42 3.4.1 SiO_2颗粒红外吸收光谱测试 40 3.4.2 SiO_2颗粒X射线衍射 40 3.4.3 涂层表面形貌分析 40 3.4.4 接触角测试 40-41 3.4.5 涂层耐候性能测试 41 3.4.6 水下减阻性能测试 41-42 4 测试结果与讨论 42-55 4.1 SiO_2颗粒红外吸收光谱测试 42-44 4.2 SiO_2颗粒X射线衍射 44-46 4.3 表面形貌分析 46-49 4.3.1 光学显微镜分析 46-47 4.3.2 扫描电子显微镜分析 47-49 4.4 接触角测试 49-52 4.5 涂层耐候性测试 52-53 4.6 本章小结 53-55 5 水下减阻测试与结果讨论 55-75 5.1 水下减阻测试方法 55-57 5.2 旋转圆盘减阻率的测试与计算 57-60 5.2.1 转盘阻力矩计算 57-58 5.2.2 流体阻力系数的计算 58-59 5.2.3 雷诺数的计算 59 5.2.4 减阻率 59-60 5.3 转盘式阻力测试仪的结构,原理及操作步骤 60-63 5.3.1 转盘式阻力测试仪的结构与原理 60-62 5.3.2 转盘式阻力测试仪的测试操作步骤 62-63 5.4 减阻测试结果与讨论 63-74 5.4.1 雷诺数对减阻效果的影响 63-65 5.4.2 疏水角对减阻效果的影响 65-66 5.4.3 不同涂层成分对减阻效果的影响 66-67 5.4.4 不同涂层成分对消耗功率的影响 67-68 5.4.5 不同SiO_2颗粒大小对减阻效果的影响 68-70 5.4.6 不同SiO_2颗粒用量对减阻效果的影响 70-72 5.4.7 水下浸泡时间对减阻效果的影响 72-74 5.5 本章小结 74-75 6 结论与展望 75-77 6.1 结论 75 6.2 展望 75-77 致谢 77-78 参考文献 78-84 附录 84
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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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