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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。

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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