应用 | 航行器表面超疏水涂层的制备及性能研究

KRÜSS于1796年诞生于德国汉堡，是表面科学仪器领域的全 球领导品牌。先后研发了世界上第 一台商用全自动表面张力仪和第 一台全自动接触角测量仪，荣获多次国际工业设计大奖和德国中小企业最 具创新能力TOP100荣誉。其它产品还包括各类动态表面张力仪、泡沫分析仪、界面流变仪和墨滴形状分析仪等。

研究背景

新世纪以来，航行器在海洋经济和国防建设中扮演的角色越来越重要。一般航行器表面摩擦阻力占总阻力的一半以上；而水下航行器，比如潜艇，占比更是达到了 80% 左右，这些阻力严重影响了航行效率和能源利用率。由此可见，如何减小水面舰只和水下航行器（如鱼 雷、潜艇）表面摩擦阻力已成为军民领域急迫需要解决的关键问题。

超疏水涂层独特的疏水性、制备成本较低、操作简单、对环境友好等优势使其成为一种更具潜力的减阻材料。超疏水减阻机理广泛使用 Navier 提出的壁面滑移理论，即流体经过超疏水表面时，产生滑移速度，滑移壁面的存在使近壁区边界面上的速度梯度减小，流体与壁面之间的剪切力降低，从而摩擦阻力减小，产生了超疏水表面的减阻效果。

本文采用喷涂法在聚氨酯（PU）表面制备了双层超疏水涂层。通过接触角测试对试样表面润湿性进行了分析，并对其减阻效果和减阻机理进行了探究。

实验方法

表面润湿性：在室温（20℃）下，采用KRÜSS光学接触角测试仪DSA100测量双层超疏水涂层的接触角，设置液滴大小为 10 μL，试样表面随机测五个点取平均值。

图1 双层超疏水涂层制备过程

结果与讨论

1.表面形貌测试分析

图2是所制备试样的微观形貌，能够清晰地看到超疏水涂层的表面存在均匀的微凸起结构，说明喷涂的超疏水二氧化硅纳米粒子均匀地覆盖在了PU 表面，类似于荷花效应。超疏水二氧化硅纳米粒子间相互堆积，存在一定的孔隙，为捕获空气形成空气提供了条件，使表面上的水滴不易完全浸入微纳米粗糙结构中。水滴与表面的固液界面接触转化成了空气与液体之间的气液接触，提高了气液结合所占比例，减小了固液接触面积。 

图2 PU表面（a）和超疏水表面（b）的SEM图

2.表面润湿性测试分析

图 3 呈现了水滴在试样表面铺展的状态。水滴在PU表面摊开，接触面积较大，在超疏水涂层上的接触面积明显变小，形状接近于球形，没有铺展。从图 4(a) 可看出，水滴在PU 表面上呈半球形的状态，水接触角为 64.5°，即 PU 表面呈亲水性。从图4(b) 可看出，超疏水涂层接触角为 157.9°，表现出较强排斥状态。滚动角大小等于液滴开始从表面滚落时的临界角度，该角度反映了液体在固体表面的滞后程度。若滚动角较小，滞后程度就弱；反之则滞后程度强。如图4(c)所示，当样品台倾斜约 1.0°时，水滴能从超疏水表面自由滚落而不滞留，即表面具有较低的滚动角。以上结果表明，采用操作简单的喷涂方式能在亲水性的 PU 表面二次喷涂超疏水纳米粒子来制备超疏水涂层，水滴在其表面呈排斥状态，具有较高的接触角和较低的滚动角。

图3 不同试样表面铺展状态：PU表面（a）和超疏水表面（b）

图4 PU 表面 (a)、超疏水表面 (b) 

接触角和超疏水表面滚动角 (c)

3.表面自清洁测试分析

在试样表面洒落颜料模拟污垢，水平放置两种试样，在其上方缓慢滴落水滴，观察现象分析试样自清洁性能。如图 5 所示，放置相同量的颜料在试样表面，超疏水表面上的颜料被滚落的水滴带走，而 PU 表面的颜料仍然滞留在表面。原因是超疏水表面的空气层可以将颜料与固体分隔开，且超疏水表面的滚动角较小，致使水滴能从超疏水表面轻松滚下从而带走颜料。该测试充分证明制备的超疏水涂层可轻松地将涂层表面污垢清理干净，具有良好的自清洁性能。

图5 PU 表面(a) 和超疏水表面 (b) 自清洁过程

4.超疏水涂层减阻测试分析

不同壁面温度下接触角测试结果如图6 所示，壁面温度在 20~70 ℃ 变化过程中，接触角从 157.9° 提高到 170°，接触角随温度升高而增大。与前人研究结果相符，随着壁面温度进一步升高，液滴的表面张力和粘性力逐渐减小。

图6 超疏水表面不同温度下的照片（a）

和壁面温度与接触角的关系图（b）

综上所述，超疏水表面温度升高导致减阻率增大有以下几个原因。首先，水在较高温度的近壁区粘度较低，减小了水分子与超疏水表面固体分子间的粘滞力，导致减阻率增大。其次，超疏水表面微纳米粗糙结构中捕获的空气层在温度提升的情况下会受热膨胀，导致空气层变厚，当有水流通过壁温较高的超疏水表面时，固液接触面积进一步减小，滑移速度增大，滑移长度增加。以上实验说明升高壁温可对超疏水表面减阻性能起到促进作用。

小结

(1) 采用简单的喷涂方式制备的双层超疏水涂层，接触角达到了157.9°，这是由于其表面呈微纳米粗糙结构，且存在低表面能物质，使其具备较高的接触角和较低的滚动角，润湿性能差，防水效果佳。

(2) 将制备的超疏水涂层表面进行加热处理，发现其表面接触角和减阻率随壁温升高而增大，最大减阻率达100%，因此升高壁温的方法可为超疏水减阻性能研究提供更加广阔的思路。