阅读说明：本技术 一种u型钛管内表面超浸润涂层的制备方法 (preparation method of super-wetting coating on inner surface of U-shaped titanium pipe ) 是由 孙立东 李伟 金鉴 赵凯岐 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及异型管道内表面涂层制备和流体降阻领域,具体是一种适用于U型钛管内表面的超浸润(超亲水或超疏水)涂层的制备方法。当使用异型管道传输流体时,流体在弯转部分会产生较大的压力损失。针对其内表面进行超疏水涂层制备,可以显著降阻并减小能量损耗,达到流体传输时降阻的目的。本发明以U型钛管为原料,采用一种适用于U型管的同轴阳极氧化法,在U型钛管内表面均匀制备氧化钛纳米管阵列涂层,实现管内表面超浸润涂层改性的目的。本发明的制备方法具有操作简单、适用范围广、实用性强、成本低廉等优点,可广泛应用于异型管流体降阻等领域。(the invention relates to the field of preparation of a coating on the inner surface of a special-shaped pipeline and resistance reduction of fluid, in particular to a preparation method of a super-wetting (super-hydrophilic or super-hydrophobic) coating suitable for the inner surface of a U-shaped titanium pipe. When using profiled piping to transport fluids, the fluids create large pressure losses in the turn around section. The preparation of the super-hydrophobic coating is carried out on the inner surface of the coating, so that the resistance can be obviously reduced, the energy loss can be reduced, and the purpose of reducing the resistance during fluid transmission can be achieved. The invention takes a U-shaped titanium pipe as a raw material, adopts a coaxial anodic oxidation method suitable for the U-shaped pipe, and uniformly prepares a titanium oxide nanotube array coating on the inner surface of the U-shaped titanium pipe, thereby realizing the purpose of modifying the super-wetting coating on the inner surface of the pipe. The preparation method has the advantages of simple operation, wide application range, strong practicability, low cost and the like, and can be widely applied to the fields of special pipe fluid resistance reduction and the like.)

一种U型钛管内表面超浸润涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及异型管道内表面涂层制备和流体降阻领域，具体是一种适用于U型钛管内表面的超浸润(超亲水或超疏水)涂层的制备方法。

背景技术

U型管是一种常见的工程构件，被广泛应用于流体传输、冷凝传热等领域。当流体流经U型管时，因流速方向发生改变而导致阻力系数增大；尤其在U型管弯曲半径远大于管径的情况下，阻力系数显著增大，使输入端的能耗增大。在U型管内表面制备超疏水涂层，可有效降低流阻，具有重要的工程应用意义。然而，因U型管形状特殊且尺寸狭小，针对U型管内表面进行超浸润涂层改性和均匀性调控具有极大挑战。本发明提出了一种U型管同轴阳极氧化的方法，可在U型管内表面均匀制备超浸润涂层，极大降低流阻，这在长距离流体输运领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种U型钛管内表面超浸润涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:

1〕将U型钛管清洗并干燥。

2〕将三通管I的第一管口和三通管II的第一管口分别接通U型钛管的两个管口。

柔性碳纤维丝穿入U型钛管中。柔性碳纤维丝的两端分别从三通管I的第二管口和三通管II的第二管口穿出。

柔性碳纤维丝上穿入若干绝缘小球。

三通管I的第三管口和三通管II的第三管口通过导管分别连接储液罐的进出液口。

3〕启动循环泵，让储液罐内的电解液I在U型钛管中循环流动。

U型钛管和柔性碳纤维丝分别接通电源，在恒电压条件下进行电化学刻蚀。

4〕将U型钛管清洗并干燥。

5〕按照如步骤2〕的方式装配U型钛管、柔性碳纤维丝、绝缘小球、三通管I、三通管II和储液罐，并更换储液罐内的电解液为电解液II。

6〕启动循环泵，让储液罐内的电解液II在U型钛管中循环流动。

U型钛管和柔性碳纤维丝分别接通电源，在恒电压条件下进行阳极氧化。

7〕将U型钛管清洗并干燥。

进一步，步骤7〕完成后，步骤8〕将U型钛管用低表面能修饰剂浸泡，经室温干燥后，退火处理。

进一步，步骤3〕和6〕中，U型钛管作阳极，柔性碳纤维丝作为阴极。

进一步，步骤3〕所述的电解液I选自氯化钠溶液。

进一步，步骤6〕所述的电解液II选自氟化铵和水的乙二醇溶液。

进一步，步骤8〕所述的低表面能修饰剂的溶质为硬脂酸、月桂酸、氟硅烷中的一种，溶剂为乙醇、正己烷中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点及有益效果：

1.本发明以U型钛管为原料，采用同轴阳极氧化的方法，制备出具有超疏水效果的二氧化钛纳米管涂层，该涂层具有疏水效果好，制备工艺简单，成本低的优点。

2.本发明整个制备过程中具有设备价格低廉、原料成本低廉易得、操作流程简单便捷等工业实用化特点。

3.本发明在U型管内表面制备的超疏水涂层，均匀无缺陷，且具有显著得降阻效果。

总之，本发明以U型钛管为研究对象，采用同轴阳极氧化法，在U型钛管内表面制备出具有滚动超疏水效果并且均匀分布的二氧化钛纳米管涂层。该二氧化钛纳米管涂层与钛金属表面结合力好，物理化学稳定性高，具有滚动超疏水特性，可以显著减小流体流经弯管处的能量损耗，达到传输流体显著降阻的作用。

附图说明

图1是U型钛管内表面阳极氧化装置示意图。

图2是U型钛管尺寸示例。

图3是U型钛管内进行电化学刻蚀后表面形貌扫描电镜图。

图4是U型钛管内进行阳极氧化后表面形貌低倍扫描电镜图。

图5是U型钛管内进行阳极氧化后表面形貌高倍扫描电镜图。

图6是U型钛管内表面超浸润纳米管涂层均匀性统计结果。

图7是钛管内表面静态接触角测结果：左为原始钛管，右为超疏水钛管。

图8是U型管降阻测试结果：左为原始钛管，右为超疏水钛管。

图中：U型钛管(1)、柔性碳纤维丝(2)、绝缘小球(3)、三通管I(4)、三通管II(5)、储液罐(6)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

一种U型钛管内表面超浸润涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:

1〕实施例中，待处理的U型钛管1的管内径为3～30mm，弯转直径与管内径比为0.5～30。将U型钛管1依次用去污剂、自来水、异丙醇、去离子水、酒精分别进行超声清洗，清洗时间为10～30min。然后进行干燥处理。干燥处理时，先用氮气喷枪吹干，然后在烘箱中40～110℃保温0.5～10小时。

2〕将三通管I4的第一管口和三通管II5的第一管口分别接通U型钛管1的两个管口。参见图1，三通管I4和三通管II5固定在U型钛管1的上方。U型钛管1被支架固定。三通管I4的第一管口和三通管II5的第一管口均冲下，与通U型钛管1的紧密连接，流经的液体不能够渗出。

柔性碳纤维丝2穿入U型钛管1中。柔性碳纤维丝2的两端分别从三通管I4的第二管口和三通管II5的第二管口穿出。柔性碳纤维丝2直径为0.1～1mm。参见图1，三通管I4的第二管口和三通管II5的第二管口均冲上，

柔性碳纤维丝2上穿入若干绝缘小球3，按照图1所示进行装配，刚性带孔绝缘小球作支撑固定在柔性碳纤维丝2上，以保证阴阳极同轴，实现U型钛管内表面同轴阳极氧化的配置；刚性带孔绝缘小球材质为聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯中的一种，直径接近或等于U型管1内径(能够通过U型管1的内腔)，小球放置间距为5～100mm。

三通管I4的第三管口和三通管II5的第三管口通过导管分别连接储液罐6的进出液口。参见图1，储液罐6固定于三通管I4和三通管II5的上方，三通管I4的第三管口位于侧面(水平管口)，三通管II5的第三管口位于侧面(水平管口)。

3〕启动循环泵，让储液罐6内的电解液I在U型钛管1中循环流动。所述的电解液I是浓度为0.05～1mol/L的氯化钠、氯化钾与溴化钾溶液中的一种，电解液循环流速为30～100mL/min。

U型钛管1和柔性碳纤维丝2分别接通电源，U型钛管1作阳极，柔性碳纤维丝2作为阴极，在恒电压条件下进行电化学刻蚀。电化学刻蚀的电压为10～150V，刻蚀时间为1～15h。

4〕将U型钛管1用去离子水冲洗，并进行干燥，干燥操作与步骤1〕相同；

5〕按照如步骤2〕的方式装配U型钛管1、柔性碳纤维丝2、绝缘小球3、三通管I4、三通管II5和储液罐6，并更换储液罐6内的电解液为电解液II。

6〕启动循环泵，让储液罐6内的电解液II在U型钛管1中循环流动。电解液II为含有0.1～1wt％的氟化铵(或氟化钠、氟化氢中的一种)、1～25vol％水的乙二醇溶液。

U型钛管1和柔性碳纤维丝2分别接通电源，U型钛管1作阳极，柔性碳纤维丝2作为阴极，在恒电压条件下进行阳极氧化。阳极氧化的电压为20～80V，时间为3～15h。

7〕将U型钛管1用去离子水冲洗，并进行干燥，干燥操作与步骤1〕相同；

8〕将U型钛管用低表面能修饰剂浸泡。浸泡时间为0.5～2h，低表面能修饰剂溶质为硬脂酸、月桂酸、氟硅烷中的一种，溶剂为乙醇、正己烷中的一种，溶质成分含量为1～10vol％。所述的低表面能修饰剂的溶质为硬脂酸、月桂酸、氟硅烷中的一种，溶剂为乙醇、正己烷中的一种。

经室温干燥后，在马弗炉中80～110℃退火处理，退火时间为0.5～10h。

实施例1：

同上述具体实施方式，本实施例提供一种U型钛管内表面超浸润涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:

1〕实施例中，参见图2，待处理的U型钛管1的管内径为8mm，弯转直径与管内径比为6.25，将U型钛管1依次用去污剂、自来水、异丙醇、去离子水、酒精分别进行超声清洗，清洗时间为30min。然后进行干燥处理。干燥处理时，先用氮气喷枪吹干，然后在烘箱中40℃保温10小时。

2〕如图1所示，按照具体实施方式的步骤2的方式连接，其中，柔性碳纤维丝2直径为1mm。采用了9个直径接近8mm的聚四氟乙烯绝缘小球3。

3〕启动蠕动泵，让储液罐6内的电解液I在U型钛管1中循环流动。所述的电解液I是浓度为0.05mol/L的氯化钠溶液，电解液循环流速为100mL/min。

U型钛管1和柔性碳纤维丝2分别接通电源，U型钛管1作阳极，柔性碳纤维丝2作为阴极，在恒电压条件下进行电化学刻蚀。电化学刻蚀的电压为10V，刻蚀时间为15h。

4〕将U型钛管1用去离子水冲洗，并进行干燥，干燥操作与步骤1〕相同；

5〕按照如步骤2〕的方式装配U型钛管1、柔性碳纤维丝2、绝缘小球3、三通管I4、三通管II5和储液罐6，并更换储液罐6内的电解液为电解液II。

6〕启动蠕动泵，让储液罐6内的电解液II在U型钛管1中循环流动。电解液II为含有0.3wt％的氟化铵、2vol％水的乙二醇溶液，电解液循环流速为100mL/min。

U型钛管1和柔性碳纤维丝2分别接通电源，U型钛管1作阳极，柔性碳纤维丝2作为阴极，在恒电压条件下进行阳极氧化。阳极氧化的电压为20V，时间为15h。

7〕将U型钛管1用去离子水冲洗，并进行干燥，干燥操作与步骤1〕相同；

8〕将U型钛管用低表面能修饰剂浸泡,浸泡时间为0.5h。低表面能修饰剂为含1％体积比1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(氟硅烷)的乙醇溶液。

经室温干燥后，在马弗炉中110℃退火处理，退火时间为0.5～10h

本实施例的相关性能数据如下：

原始的U型钛管表面相对光滑平整，在氯化钠水溶液中进行电化学刻蚀后，得到的扫描电镜照片如图3所示，在U型钛管内表面上制备出微米级的凹凸起伏结构。在氟化铵-乙二醇-水电解质体系中进行阳极氧化后，得到的扫描电镜照片如图4和图5所示，在微米尺寸的凹凸起伏上制备出纳米尺度的管状结构。图6呈现了U型管内表面不同位置处纳米管阵列的长度统计，说明制备的超浸润涂层的厚度是均匀可控的。将该结构进行氟硅烷浸泡处理后，涂层具有超疏水特性，如图7所示，原始钛管表现出80°左右的静态接触角，而经处理后的钛管表现出158°的静态接触角。超疏水钛管可以应用于流体降阻领域，如图8所示，当将固定流速的水流从下端口引入超疏水U型管时，水流会迅速克服重力，沿管转向180°从上端口喷射而出；而当水流被引入原始管时，无法克服重力，慢慢从下端口滴出。因此，该超疏水处理后的U型钛管具有明显流体降阻特性，可大幅降低流体传输时的能量损耗。且制备原材料，工艺成本低廉，适合广泛生产。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

1、步骤1〕U型钛管内径为3mm,弯转直径与管内径比为30，清洗时间为10min。干燥温度为110℃，时间为0.5h。

2、步骤2〕中碳纤维的直径为0.1mm，绝缘小球为直径为3mm的聚丙烯带孔小球。

3、步骤3〕中电解液流速为30ml/min,氯化钠电解液浓度为1moL/L。电化学刻蚀的电压为150V，刻蚀时间为1h。

4、步骤6〕中电解液流速为30ml/min，电解液2溶剂为乙二醇溶液，其中含有0.1wt％的氟化铵、1vol％的去离子水。阳极氧化电压为80V，氧化时间为3h。

5、步骤8〕中低表面能修饰剂浸泡时间为2h，退火时间为10h，低表面能修饰剂溶质为硬脂酸，溶剂为正己烷，溶质成分含量为10vol％。

5、采用实施例1其余同样步骤制备超浸润涂层。

将水流引入该超疏水U型管，验证其具有明显流体降阻效果。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

1、步骤1〕中U型钛管内径为30mm,弯转直径与管内径比为0.5。干燥温度为50℃，时间为3h。

2、步骤4〕中碳纤维直径为1mm，绝缘小球为直径30mm的聚甲基丙烯酸甲酯。

3、步骤3〕中电化学刻蚀电压为20V，时间为1h。

4、步骤6〕中电解液为乙二醇溶液，其中含有1wt％的氟化铵、25vol％的去离子水。

5、步骤8〕中退火时间为1h。

6、采用实施例1其余同样步骤制备超浸润涂层。将水流引入该超疏水U型管，验证其具有明显流体降阻效果。

实施例4

与实施例1不同之处在于：

1、步骤1〕中所采用U型管弯曲直径为6mm。

2、步骤2〕中绝缘小球的直径为6mm。

3、步骤3〕中电解液流速为50mL/min。

4、采用实施例1其余同样步骤制备超浸润涂层。将水流引入该超疏水U型管，验证其具有明显流体降阻效果。

实施例5

与实施例1不同之处在于：

1、步骤1〕中所采用U型管内径为20mm,弯转直径与管内径比15。

2、步骤2〕中绝缘小球的直径为20mm。

2、步骤8〕中低表面能修饰剂溶质为月桂酸。

3、采用实施例1其余同样步骤制备超浸润涂层。将水流引入该超疏水U型管，验证其具有明显流体降阻效果。

实施例6

与实施例1不同之处在于：

1、步骤1〕中干燥温度为80℃，干燥时间为8h。

2、步骤3〕中所采用的电压为60V，反应时间为8h。

3、步骤6〕中电解液含有0.6wt％的氟化铵、10vol％的去离子水。所采用的阳极氧化电压为40V，反应时间为3h。

4、采用实施例1其余同样步骤制备超浸润涂层。将水流引入该超疏水U型管，验证其具有明显流体降阻效果。