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天津大學汪懷遠教授團隊CEJ：耐久型高效抗粘附超雙疏功能涂層

2021-07-15 16:04:33 作者：高分子科學前沿來源：高分子科學前沿分享至：

【背景介紹】

原油生產過程中的蠟沉積問題長期以來困擾著石油化工領域的從業者們，其會導致諸如石油運輸管道有效面積減小和生產能耗增大等一系列問題，嚴重時會造成管道破裂、設備故障、減產和停產等安全和經濟問題。在眾多防蠟技術中，防蠟涂層技術具有效果好、成本低和環境友好等優勢，從而受到研究人員的廣泛關注。然而，由于存在抗粘附效率低、耐久度差和功能單一等不足，現有報道的防蠟涂層的應用受到了極大限制。對于各類油污具有優異的抗粘附性能的超雙疏涂層可能是解決該問題的有效途徑，然而，當前超雙疏涂層的耐久度與拒液性之間的兼顧仍是亟待解決的難題。

【成果簡介】

針對上述難題，天津大學汪懷遠教授團隊利用順序噴涂策略，將高度氟化的納米黏土坡縷石@二氧化硅（Pal@SiO2-F）復合填料引入商業樹脂聚醚砜（PES）和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）體系中，開發了一種耐久型功能的超雙疏涂層（P-P/Pal@SiO2-F coating）。該超雙疏涂層表面具有豐富的乳突和發達的微網絡結構，加之填料和聚合物提供的低表面能基團，共同賦予了涂層穩定的氣膜以實現對原油的超強拒液性。將涂層應用于管道中時，其能夠高效地運輸原油。而且，涂層的氣膜可以作為抗粘層和隔熱層，從而展現出高達90.9%的防蠟沉積率。通過涂層結構和組成穩定性之間的協同，涂層即使在遭受砂紙磨損、高壓水沖、強腐蝕性液體浸泡等機械和化學穩定性測試后仍具備優異的抗粘附性能。近期，上述研究成果以“Robust and multifunctional superamphiphobic coating toward effective anti-adhesion”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上，論文的第一作者為天津大學化工學院碩士生彭建文，通訊作者為天津大學化工學院汪懷遠教授。

【圖文解析】

在這項工作中，作者對比了原油在超雙疏P-P/Pal@SiO2-F涂層、商業雙疏涂層以及鋁板表面的潤濕性，結果顯示P-P/Pal@SiO2-F涂層區域能夠實現對原油的超強排斥。此外，該涂層在原油中經歷了2000次的浸入-提出循環和30天的浸泡后仍能保持高疏油性（圖1）。得益于噴涂策略的可拓展性，作者將涂層制備于管道內部，并探究了原油在涂層表面的運輸效率。如圖2可見，原油在流經涂層管道后不會留下污漬，相比之下，無涂層的鋁管則被原油徹底污染。在原油流速的對比中，不論管道的傾斜角如何，涂層鋁管均顯示出高于普通鋁管兩倍以上的流速，并且原油流經涂層管道后的收集率高達99.3%。以上結果證實了由高度氟化的納米復合填料與商業樹脂構建的超雙疏涂層具有優異的防原油粘附和原油運輸性能，該性能來源于涂層表面充當防粘層的穩定氣膜。

圖1：（a）原油液滴在不同表面的滾動情況；（b）原油在涂層區域“TJU”和無涂層區域的潤濕性；（c）水和原油的接觸角隨涂層在原油中浸入-提出循環次數的變化；（d）水和原油的接觸角隨涂層在原油中浸泡天數的變化。

圖2：（a）原油運輸測試的示意圖；（b）水和原油在鋁管和涂層鋁管內的運輸對比；（c）原油流經不同傾斜角度的鋁管和涂層鋁管的速度；（d）原油流經不同傾斜角度的涂層鋁管的收集率。

原油生產和運輸過程中廣泛存在的蠟沉積是一個棘手的問題，為此，作者進一步探究了超雙疏P-P/Pal@SiO2-F涂層在含蠟原油體系中對于蠟的防粘附/沉積性能。如圖3所示，涂層在含蠟原油中浸泡后的防蠟粘附率可達94.7%。此外，在基于冷指法設計的防蠟沉積裝置的評價中，該超雙疏涂層顯示出了高達90.9%的防蠟沉積率，并且在延長沉積時間后涂層仍然具有優異的防蠟穩定性。作者提出了基于涂層表面的穩定氣膜實現防原油粘附、原油運輸及防蠟沉積性能的相關機理（圖4）。穩定的氣膜可作為優異的防粘附層和隔熱層，為涂層提供極強的原油拒液性，確保原油在基材表面的快速流動，并削弱原油向基材的傳熱效率，從而降低原油和蠟在基材表面粘附和沉積，具有防污減阻效果。

圖3：（a）涂層鋁板和純鋁板在抗蠟粘附測試中的照片；（b）浸沒時間對涂層鋁板和純鋁板防蠟粘附率的影響；（c）不同涂層樣品的結蠟量和防蠟沉積率R；（d）蠟沉積時間對于涂層的防蠟沉積率的影響。

圖4：（a1，a2）碳鋼表面和（b1，b2）涂層碳鋼表面的防蠟沉積機理示意圖

【小結】

綜上，該團隊圍繞原油生產過程中的蠟沉積和流動減阻問題，以涂層表界面強化和微/納米結構設計為關鍵手段，通過簡便的噴涂法將高度氟化的復合填料與商業樹脂有機結合，制備了一種耐久型多功能的超雙疏涂層。所制備的涂層對原油等低表面張力液體具有超強拒液性，能夠實現對原油的長效防粘附和高效運輸。此外，在含蠟原油體系中，涂層顯示出高達90.9%的防蠟沉積率。該工作為防蠟涂層的設計與制備提供了新的思路，為超雙疏表面開拓了全新的應用前景，在許多實際的高粘流體工業過程中，特別是在石油工業中具有廣闊的應用前景。

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