聚苯乙烯涂层光滑管道，用于降低摩擦阻力

《Progress in Organic Coatings》：Polystyrene coated slippery pipe for drag reduction

通过在铝管内表面涂覆聚苯乙烯（PS）并注入硅油润滑剂，开发了一种新型超润滑表面（SLIS）。实验表明该表面在湍流条件下可将摩擦阻力降低33%，同时具备抗腐蚀和抗污特性，为水下流体输送管道提供了高效节能解决方案。

　　

Muhammad Nobi Hossain | Sang Joon Lee

韩国浦项科技大学（POSTECH）机械工程系，77 Cheongam-Ro，浦项，37673

摘要

通过管道输送石油、水和天然气由于比其他传统方法更高效而受到了广泛的研究关注。然而，流体输送管道会因摩擦压力损失和阻力而产生相当大的能量损耗，这需要大量的能源成本。这种压力损失源于流动流体与管道内壁之间的摩擦阻力。为了解决这个问题，我们受到自然界的启发，开发了一种新型的滑润表面——润滑剂浸渍表面（SLIS），该方法是通过将聚苯乙烯（PS）溶液直接涂覆在铝（Al）管道的内壁上实现的。这种表面在湍流条件下表现出优异的减阻性能。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析确认了薄PS膜的成功形成，这两种技术可以用来分析表面形态和化学成分。结果表明，这种改进后的铝管道可以将摩擦阻力降低约33.0%。此外，经过PS改性的铝表面还具备抗腐蚀和防污性能，显示出其在流体输送管道中长期使用的潜力。这些结果共同凸显了所提出的滑润铝管道在实际水下应用中的巨大潜力。

引言

通过管道系统输送石油、水和天然气在长距离输送液体方面比其他传统方法更高效。由于工业的快速发展和人口增长，对长距离输送石油和天然气的需求正在迅速增加，从而对可靠的流体输送系统提出了更高的要求[1]、[2]、[3]。 然而，通过管道输送石油或水混合物面临着与压力阻力相关的重大挑战，这需要消耗大量的能源来克服摩擦损失。这种摩擦阻力源于流动流体与管道内壁之间的摩擦阻力。有效的减阻策略可以大幅节省成本，并带来碳中和的环境效益[4]、[5]、[6]。 受到荷叶防水特性的启发，传统的超疏水表面（SHS）通过在固体和液体界面之间引入空气层来显著减少摩擦阻力。SHS通常通过各种表面处理和涂层制造，这些涂层旨在创建微/纳米结构，并结合低表面能材料来捕获空气[7]、[8]、[9]、[10]。许多理论和实验研究探讨了SHS的减阻行为，主要集中在外部流动情况。然而，由于存在多种挑战，包括耐久性差、高压下的不稳定、在湍流或多相流中的效果降低，以及表面微结构容易受到机械损伤和污染[7]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，其在流体管道输送系统中的实际应用仍然有限。 最近，润滑剂浸渍表面（SLIS）作为一种替代方案受到了广泛关注，因为它具有额外的优势，如更强的减阻效果、抗腐蚀性和防污性能[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。SLIS通过将润滑剂稳定地注入高分子量的多孔或纹理化基质中，防止周围流体的附着。通过用不混溶的润滑剂取代捕获的空气层，SLIS形成了一个即使在高剪切应力和多相流条件下也能保持有效的光滑连续的液-液界面。这种结构稳定性使得减阻效果得以持续，并在真实的流动环境中改善了长期性能[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。因此，在本研究中，我们探讨了使用氢化物封端的硅油作为润滑剂的聚苯乙烯涂层铝管道的减阻性能。 目前只有少数研究关注内部流动系统中的减阻行为，主要集中在SHS表面[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。基于这种情况，本研究旨在探索SLIS在减少管道系统压力损失方面的能力。涂层层的光滑度在减阻中起着重要作用，这可以通过最小化表面不规则性并结合调节涂层厚度来实现。确定最佳涂层厚度对于确保涂层表面的足够光滑至关重要。在本研究中，我们使用溶胶-凝胶辅助的滚涂方法将薄而均匀的聚苯乙烯（PS）涂层应用于大直径铝管道的内表面，以产生一个光滑稳定的滑润表面。 据我们所知，这是首次报道使用PS涂层、润滑剂浸渍的铝管道在湍流条件下减少内部流动系统阻力的研究。铝管道内表面的聚苯乙烯（PS）涂层形成了一层薄而具有低滞后特性的聚合物膨胀层。这些结果是由于干燥过程中的溶剂蒸发所致。 聚合物基质作为润滑剂的储存库，使润滑剂能够渗透并固定在PS层内，而不是形成单独的 bulk 薄膜。PS的疏水性质及其与硅油的强亲和力增强了润滑剂的吸收，并减少了润滑剂的消耗。因此，底层的PS结构在通过毛细力和优先润湿作用实现稳定的SLIS表面方面起着关键作用[28]、[34]。 在金属基底上涂覆的坚固滑润液体浸渍表面（SLIS）对于改善液体输送和管道应用中的减阻效果及减少表面相关退化具有很大意义。在本研究中，我们在铝管道的内表面制备了基于PS的SLIS涂层，并研究了涂层结构和润滑剂特性如何影响减阻行为和操作稳定性。

材料

聚苯乙烯（PS，分子量约192,000）和氯仿（99.0%）购自Sigma-Aldrich。氢化物封端的硅油购自美国的Gelest。氯化钠（99.0%）和冰醋酸（99.5%）购自韩国的Samchun Chemicals。铝管道主要由铝（Al，>98%）组成，镁（Mg）、硅（Si）和铁（Fe）作为次要成分，购自韩国的Coupang。管道的内径和厚度分别为20毫米和1毫米。

压力损失测量的验证

本实验设置的测量准确性是通过测量光滑裸露铝管道上的压力损失来确定的，该管道作为参考的无滑移表面。实验结果与不同流速下的理论无滑移压力损失（图2）进行了比较（表1）。 光滑铝管道的压力损失可以通过以下达西-魏斯巴赫方程表示： $\text{?P}=fL/D\times \text{ρV2}/2$

这里，?P表示压力损失，f表示达西摩擦系数，L表示管道长度。

结论

本文提出了一种PS涂层润滑剂浸渍的铝管道，用于提高液体输送管道系统的减阻效果。通过溶胶-凝胶工艺结合滚涂方法成功制备了管道的PS涂层内表面。使用FE-SEM和EDS分析了其表面形态和化学成分。在最佳条件下制备的表面在湍流条件下表现出优异的减阻性能（33.0%）。

CRediT作者贡献声明

Muhammad Nobi Hossain：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、资源提供、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构思。 Sang Joon Lee：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、资源协调、项目管理、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Sang Joon Lee表示得到了韩国政府资助的韩国国家研究基金会（NRF）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了韩国政府资助的韩国国家研究基金会（NRF）[MSIT] [RS-2024-00341278]的资助。