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长链接枝减阻薄膜的制备及性能研究

发布日期:2015-05-20 20:14:37
1948年Toms在第一届国际流变学会议上发表 了关于长链高聚物减阻机理研究的论文,bbo必博_bbo必博官网_bbo必博娱乐:此后长链高 分子减阻剂被大量应用到石油、水等液体的管道运输 上,取得了 20%?50%的显着减阻效果[1’2]。人们也 尝试对水中航行器应用长链高分子减阻剂,目前所采 用的方法是将其制成可溶性高分子涂层覆盖在航行器 表面,依靠涂层的溶解向近壁区缓慢释放减阻剂[3]。 该方法虽然能够使航行器阻力降低约20%,但高分子 涂层会因溶解在水中而迅速消耗,并且涂层各处溶解 速度不一致还会形成粗糙表面影响减阻效果,因此涂 层的有效减阻时间很短[<]。美国海军部的水溶性高分 子减阻涂料其减阻性能从冲水2. 5min后开始锐减, 英国皇家海军材料研究所的高分子减阻涂料冲水 llmin后减阻效果消失[6],这类涂层主要用于鱼雷等 瞬时工作的航行器,而对于赛艇、救援艇、缉私艇等单 次航行时间在数小时左右又迫切需要减阻提速的船只 则很难应用。虽然金善熙[4]、吴圣儒等人[7’8]通过改进 成分延长了涂层保持时间,但仍不能解决涂层在冲水 时的剥蚀问题,目前有效减阻时间短仍是制约长链高 分子减阻剂在航行器上广泛应用的瓶颈。
 
本文利用接枝共聚反应将一种长链高分子减阻 剂——聚丙烯酰胺固连在水性环氧树脂基材上,再加 入增塑剂制成了长链接枝减阻薄膜。为检验这种薄膜   在航行器上的实用性,对其机械性能、耐水性能、减阻 率及有效时间等材料特性进行了研究,从而为长链高 分子减阻剂在航行器减阻领域的广泛应用奠定基础。
 
2实验 2.1长链薄膜的制备首先配置浓度为2%的聚丙烯酰胺(PAM)水溶 液,然后向其中加人水性环氧乳液(AfrEP-44)并搅拌 30min,使聚丙烯酰胺长链分子中的一部分酰胺基团与 水性环氧树脂乳液中的环氧基团发生接枝共聚反 应[9],反应方程式如图1所示。再向接枝共聚物中加 入固化剂(A&HGF)及增塑剂(邻苯二甲酸二丁酯, DBP),将以上混合物搅拌后过滤,获得预聚体。对其 进行预脱气,将混人的空气排出;随后将预聚体浇注到 表面光滑的硅橡胶质模具中,再次真空脱气后置于鼓 风干燥箱中,在60X:下加热24h;待材料完全固化后从 硅橡胶模具揭下,得到长链接枝减阻薄膜,后简称“长 链薄膜”。在上述过程中不加人聚丙烯酰胺,只加人水 性环氧乳液、固化剂及增塑剂,反应后制得表面光滑的 水性环氧树脂薄膜,后简称“光滑薄膜”,用于和长链薄 膜作性质对比分析。
 
环氧基团C-t-NH— CHCH—FII ;IOO :OH, 图1酰胺基与环氧基的接枝共聚反应式 Fig 1 Graft copolymerization reaction equation ofacylamino and epoxy group 2.2长链薄膜的性能表征 2.2.1长链薄膜的材料性质表征在确保具有良好机械性能的前提下,良好的耐水 性是长链薄膜能在航行器上应用的基本要求。长链薄 膜的机械性能测量采用Instr〇n5565-5kN型电子万能 试验机测量,耐水性能检测采用AVATAR360型红外 光谱仪检验薄膜浸水后所析出粘液的成分,采用CS3400型扫描电子显微镜分析薄膜冲水后表面元素 的比例。
 
减阻率是长链薄膜的关键技术指标,本文在中船 重工七〇二所的空泡水筒中对长链薄膜的减阻韦进行 测试。水简检测段长3. 2m,直径0. 8m,稳定水速为 3.5m/s以上,通常允许的最大水速为10m/s;测试所 用阻力天平量程300N,载荷分辨率0. 1N。测试模型 为弹体模型,由LY12铝合金制成,前端为椭球体,后 端为圆柱体(09OmmXSOOmm),待测薄膜贴于模型的 圆柱表面,如图2所示,Fig 2 Installation Instruction of the test sample 测试在均流条件下进行,水温23*C,测试前先以 3m/s的水速排气lh,测量水速由3. 6m/s开始,依次 递增至lOm/s,每间隔一定速度测量一次阻力值,测试 过程约lh。测fl相同速度下贴光滑薄膜的模型阻力 F。和贴长链薄膜的模型阻力F,长链薄膜在该速度下 的减阻率的计算方法如式(1)所示:DR = F°: Fl. X 100%(1)
 
3结果与讨论3.1长链薄膜的机械性能将长链薄膜制成80mm X 20mm X 0. 3mm的样 件,在电子万能试验机上进行拉伸测试,测得薄膜的机 械性能如下:拉伸模fl为37. 64MPa,断裂伸长率为 26%,抗拉强度为0. S2MPa,以上性能参数表明,长 链薄膜具有较好的弹性和韧性,在较大的变形率下不 易发生脆断,能够贴附在平面。圆柱面、翼型面等多种 形体表面/可以用于多种形状的航行器- 3.2长链薄膜的耐水性能在航行器表面应用的减阻膜必须具备一定耐水冲 刷的能力,本文通过测量长链薄膜冲水前后其质量及 材质变化分析薄膜耐水性能。
 
先将薄膜在60‘C烘干称重,再分别置于水速为 0.1、l、2m/s的水流中冲刷一定时间后烘干称重,测最 出薄膜的单位面积累积质最损失如图3所示?
 
由图3可知,长链薄膜质量减少的初始速度随水 速的升高而增加,这说明水速越高聚丙烯酰胺分子被 水带走的初始速度也越快;3种水速冲刷120min以后 薄膜单位面积的累计质量损失都向一个值趋近,表明 3种不同水速下被水冲走的物质基本相同,并且6〇mjn 后该物质不会再大量损失,将流过长链薄膜表面的水收集后浓缩,对其进行 红外光谱分析(图4),与纯聚丙烯酰胺的红外光遒图 (图5)进行对比发现,两图在2000cm 1以下的部分非 常接近,都有酰胺基团(一CON H2)上羰基的特征吸收 峰(ISMcm1附近)、~CH2_基团中C—H的特征吸 收峰(UMcm-1附近 >,说明被水带走的物质中含有聚 丙烯酰胺;图4中并不含有环氧基的特征吸收峰 (83〇cm」附近),而含有吸附水中〇-— H的特征吸收 峰mSScrrT1附近),说明环氧树脂并未被冲走,薄膜 的质量损失主耍是由聚丙烯酰胺溶于水中所引起的?
 
200015001000VVbvenunibeiycnr1图5纯聚丙烯酰胺的红外光谱图Fig 5 Infrared spectrogram of polyacrylamide在显微镜下观察冲水后的长链薄膜表面,发现薄 膜表面保持光滑完整,无剥蚀现象,这表明水性环氧树 腊固化后强度较高,虽然在水流冲刷下长链薄膜损失 了部分聚丙烯酰胺,但环氧树脂作为薄膜基体仍稳固 连接保持表面完整,防止了因表面变粗糙而引起的阻 力增加a对光滑薄膜、未冲水的长链薄膜以及2m/s的水 流冲刷120ming的长链薄膜分别进行表面能谱分析, 测fi碳、氮、氧3种元素的原子数之比,如图6所示。
 
<b)长链薄联未冲水 CNIi9_-.■一0<c>长链薄膜已冲水光滑薄膜表面并未检测出氮元素,而长链薄膜表 面含有大量氮元素,说明氮元素是由聚丙烯酰胺分子 中的酰胺基(一 CONH2)所引人的,冲水后长链薄膜 表面氮碳原子数比下降了约1/3,说明在水流冲刷下 有部分聚丙烯酰胺分子被带走,但仍有大量聚丙烯丑 胺分子牢固连接在薄膜表面。
 
在水流长时间冲刷下,长链薄膜表面仍能够保持 光滑完整并附着大量聚丙烯酰胺分子,表明长链薄膜 在水中应用时有一定保持原状的能力,其耐水性较好。 3.3长链薄膜的减阻性能光滑薄膜和长链薄膜的模型样件阻力及长链薄膜 的减阻率如表1所示。
 
图7给出了光滑薄膜和长链薄膜样件在试验工况 下的阻力对比,图8给出了长链薄膜在试验工况下的 减阻率曲线。
 
彳?(氧户1〇〇:0:45.?
 
*(供氧)-100:23.1:3?_4碳):x(氰 >冰氧)-1〇〇:14.8:41.S^246810图6薄膜表面能谱分析结果 Fig 6 Energy spectrum analysis of the film surface表1光滑薄膜与长链薄膜实测阻力Table 1 Measured resistance of smooth film and long-chain film水速i(m/s)3.63.94.24.55.05. 566.577.58910光滑薄膜阻力^(N)2.363.264. 215.216. 998. 9010. 9613.1515. 4817.9420.5526.4332.99长链薄膜阻力FJN)2. 202.963.784. 656. 237. 979.8611.9014. 1016.4618. 9624.4530. 55减阻率Di?(%)6.89. 210,210.810.910. 510,09.58.98.37.77.57.4? Smooth film ^ Long-chain film此后薄膜不会再大量析出聚内烯酰胺,以上减阻效果 是由固连在薄膜表面的聚丙烯酰胺分子产生的,对其Fig 8 Drag reduction efficiency curve of long-chain film由图7、8可见,在3. 6?lOm/s水速范围内长链薄 膜样件阻力明显小于光滑薄膜;当水速较低时,长链薄 膜的减阻率较小;随着水速的增加,减阻率也逐渐增 加,在水速约5m/s时达到最大值10. 9%;之后随着流 速的增长减阻率有所下降,但基本稳定在8%左右。
 
由于在测试前对模型以3m/s的水速冲刷了 lh, 减阻机理可做如下解释:固连在薄膜表面的长链聚丙 妇酰胺分子微溶于水中后溶胀形成高枯弹性的薄液 层,能够衰减湍流时边界层的脉动,减少能量损 失[1°’11]。一端固连在壁面上的长链分子还能将流体 的剪切力传递至邻近液面,是薄膜表面由无滑差状态 产生拟似滑动现象,从而增厚粘性底层,降低近壁层的 速度梯度,进一步达到减少表面摩擦阻力的效果[7’8]。 起初速度较低时,近壁区的湍流度较小,粘液层抑制揣 流的程度有限,因此减阻率较低。随着流速增加,湍流 脉动增强,粘液层抑制湍流的作用增强,减阻率相继升 高。而速度超过5m/s以后减阻率又有所下降,这可能 是由于随着水速的增加表面摩阻占总阻力的比例逐渐 下降,而长链薄膜仅减小模型样件的表面摩阻,因此减 阻率出现下降趋势在测完长链薄膜样件在水速l〇m/S的阻力值以 后,将水速降至6m/s继续冲刷lh,在冲刷过程中测得 样件的阻力较先前测得水速6m/s下的阻力并无明显 变化。测量完成后用显微镜观察薄膜表面,发现薄膜 表面仍能够保持光滑完整。长链薄膜经过测试过程的 3h水流冲刷后仍具有减阻效果,在第二和第三小时之 间减阻率保持稳定,并且表面未发生剥蚀,这些结果表 明长链薄膜在有效减阻时间、减阻稳定性等方面高于 水溶性高分子涂层,在航行器减阻领域的应用范围更588^ii^^ 2011 年第 4 期(42)卷4结论利用接枝共聚反应将聚丙烯酰胺长链分子固连在 水性环氧树脂基材上,再加人增塑剂制成了长链接枝 减阻薄膜。通过研究长链薄膜的机械性能、耐水性能 和减阻性能,得到如下结论:,(1)长链薄膜拉伸模量为37.64MPa,断裂伸长 率为26%,抗拉强度为0. 92MPa,具有较好的弹性和 韧性,能够贴附在平面、圆柱面、翼型面等多种形体表 面。
 
(2)长链薄膜表面在长时间水流冲刷下仍有大 量聚丙烯酰胺分子固连在表面发挥减阻作用,并且薄 膜表面能够保持光滑完整,因此薄膜具有较好的耐水 性。
 
(3)长链薄膜在水速3.6?10m/S的工况下具有 明显减阻效果,平均减阻率9. 1%,最高减阻率达到 10.9%,有效减阻时间在3h以上,具备一定长效减阻 能力。