天津大学汪怀远教授团队CEJ：耐久型高效抗粘附超双疏功能涂层

2021-07-15 16:04:33 作者：高分子科学前沿来源：高分子科学前沿分享至：

【背景介绍】

原油生产过程中的蜡沉积问题长期以来困扰着石油化工领域的从业者们，其会导致诸如石油运输管道有效面积减小和生产能耗增大等一系列问题，严重时会造成管道破裂、设备故障、减产和停产等安全和经济问题。在众多防蜡技术中，防蜡涂层技术具有效果好、成本低和环境友好等优势，从而受到研究人员的广泛关注。然而，由于存在抗粘附效率低、耐久度差和功能单一等不足，现有报道的防蜡涂层的应用受到了极大限制。对于各类油污具有优异的抗粘附性能的超双疏涂层可能是解决该问题的有效途径，然而，当前超双疏涂层的耐久度与拒液性之间的兼顾仍是亟待解决的难题。

【成果简介】

针对上述难题，天津大学汪怀远教授团队利用顺序喷涂策略，将高度氟化的纳米黏土坡缕石@二氧化硅（Pal@SiO2-F）复合填料引入商业树脂聚醚砜（PES）和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）体系中，开发了一种耐久型功能的超双疏涂层（P-P/Pal@SiO2-F coating）。该超双疏涂层表面具有丰富的乳突和发达的微网络结构，加之填料和聚合物提供的低表面能基团，共同赋予了涂层稳定的气膜以实现对原油的超强拒液性。将涂层应用于管道中时，其能够高效地运输原油。而且，涂层的气膜可以作为抗粘层和隔热层，从而展现出高达90.9%的防蜡沉积率。通过涂层结构和组成稳定性之间的协同，涂层即使在遭受砂纸磨损、高压水冲、强腐蚀性液体浸泡等机械和化学稳定性测试后仍具备优异的抗粘附性能。近期，上述研究成果以“Robust and multifunctional superamphiphobic coating toward effective anti-adhesion”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上，论文的第一作者为天津大学化工学院硕士生彭建文，通讯作者为天津大学化工学院汪怀远教授。

【图文解析】

在这项工作中，作者对比了原油在超双疏P-P/Pal@SiO2-F涂层、商业双疏涂层以及铝板表面的润湿性，结果显示P-P/Pal@SiO2-F涂层区域能够实现对原油的超强排斥。此外，该涂层在原油中经历了2000次的浸入-提出循环和30天的浸泡后仍能保持高疏油性（图1）。得益于喷涂策略的可拓展性，作者将涂层制备于管道内部，并探究了原油在涂层表面的运输效率。如图2可见，原油在流经涂层管道后不会留下污渍，相比之下，无涂层的铝管则被原油彻底污染。在原油流速的对比中，不论管道的倾斜角如何，涂层铝管均显示出高于普通铝管两倍以上的流速，并且原油流经涂层管道后的收集率高达99.3%。以上结果证实了由高度氟化的纳米复合填料与商业树脂构建的超双疏涂层具有优异的防原油粘附和原油运输性能，该性能来源于涂层表面充当防粘层的稳定气膜。

图1：（a）原油液滴在不同表面的滚动情况；（b）原油在涂层区域“TJU”和无涂层区域的润湿性；（c）水和原油的接触角随涂层在原油中浸入-提出循环次数的变化；（d）水和原油的接触角随涂层在原油中浸泡天数的变化。

图2：（a）原油运输测试的示意图；（b）水和原油在铝管和涂层铝管内的运输对比；（c）原油流经不同倾斜角度的铝管和涂层铝管的速度；（d）原油流经不同倾斜角度的涂层铝管的收集率。

原油生产和运输过程中广泛存在的蜡沉积是一个棘手的问题，为此，作者进一步探究了超双疏P-P/Pal@SiO2-F涂层在含蜡原油体系中对于蜡的防粘附/沉积性能。如图3所示，涂层在含蜡原油中浸泡后的防蜡粘附率可达94.7%。此外，在基于冷指法设计的防蜡沉积装置的评价中，该超双疏涂层显示出了高达90.9%的防蜡沉积率，并且在延长沉积时间后涂层仍然具有优异的防蜡稳定性。作者提出了基于涂层表面的稳定气膜实现防原油粘附、原油运输及防蜡沉积性能的相关机理（图4）。稳定的气膜可作为优异的防粘附层和隔热层，为涂层提供极强的原油拒液性，确保原油在基材表面的快速流动，并削弱原油向基材的传热效率，从而降低原油和蜡在基材表面粘附和沉积，具有防污减阻效果。

图3：（a）涂层铝板和纯铝板在抗蜡粘附测试中的照片；（b）浸没时间对涂层铝板和纯铝板防蜡粘附率的影响；（c）不同涂层样品的结蜡量和防蜡沉积率R；（d）蜡沉积时间对于涂层的防蜡沉积率的影响。

图4：（a1，a2）碳钢表面和（b1，b2）涂层碳钢表面的防蜡沉积机理示意图

【小结】

综上，该团队围绕原油生产过程中的蜡沉积和流动减阻问题，以涂层表界面强化和微/纳米结构设计为关键手段，通过简便的喷涂法将高度氟化的复合填料与商业树脂有机结合，制备了一种耐久型多功能的超双疏涂层。所制备的涂层对原油等低表面张力液体具有超强拒液性，能够实现对原油的长效防粘附和高效运输。此外，在含蜡原油体系中，涂层显示出高达90.9%的防蜡沉积率。该工作为防蜡涂层的设计与制备提供了新的思路，为超双疏表面开拓了全新的应用前景，在许多实际的高粘流体工业过程中，特别是在石油工业中具有广阔的应用前景。

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