1948年Toms在第一屆國際流變學(xué)會議上發(fā)表 了關(guān)于長鏈高聚物減阻機(jī)理研究的論文，此后長鏈高 分子減阻劑被大量應(yīng)用到石油、水等液體的管道運(yùn)輸 上，取得了 20%?50%的顯著減阻效果[1’2]。人們也 嘗試對水中航行器應(yīng)用長鏈高分子減阻劑，目前所采 用的方法是將其制成可溶性高分子涂層覆蓋在航行器 表面，依靠涂層的溶解向近壁區(qū)緩慢釋放減阻劑[3]。 該方法雖然能夠使航行器阻力降低約20%，但高分子 涂層會因溶解在水中而迅速消耗，并且涂層各處溶解 速度不一致還會形成粗糙表面影響減阻效果，因此涂 層的有效減阻時(shí)間很短[<]。美國海軍部的水溶性高分 子減阻涂料其減阻性能從沖水2. 5min后開始銳減， 英國皇家海軍材料研究所的高分子減阻涂料沖水 llmin后減阻效果消失[6]，這類涂層主要用于魚雷等 瞬時(shí)工作的航行器，而對于賽艇、救援艇、緝私艇等單 次航行時(shí)間在數(shù)小時(shí)左右又迫切需要減阻提速的船只 則很難應(yīng)用。雖然金善熙[4]、吳圣儒等人[7’8]通過改進(jìn) 成分延長了涂層保持時(shí)間，但仍不能解決涂層在沖水 時(shí)的剝蝕問題，目前有效減阻時(shí)間短仍是制約長鏈高 分子減阻劑在航行器上廣泛應(yīng)用的瓶頸。

 

本文利用接枝共聚反應(yīng)將一種長鏈高分子減阻 劑——聚丙烯酰胺固連在水性環(huán)氧樹脂基材上，再加 入增塑劑制成了長鏈接枝減阻薄膜。為檢驗(yàn)這種薄膜   在航行器上的實(shí)用性，對其機(jī)械性能、耐水性能、減阻 率及有效時(shí)間等材料特性進(jìn)行了研究，從而為長鏈高 分子減阻劑在航行器減阻領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

 

2實(shí)驗(yàn) 2.1長鏈薄膜的制備首先配置濃度為2%的聚丙烯酰胺（PAM)水溶 液，然后向其中加人水性環(huán)氧乳液（AfrEP-44)并攪拌 30min，使聚丙烯酰胺長鏈分子中的一部分酰胺基團(tuán)與 水性環(huán)氧樹脂乳液中的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生接枝共聚反 應(yīng)[9]，反應(yīng)方程式如圖1所示。再向接枝共聚物中加 入固化劑（A&HGF)及增塑劑（鄰苯二甲酸二丁酯， DBP),將以上混合物攪拌后過濾，獲得預(yù)聚體。對其 進(jìn)行預(yù)脫氣，將混人的空氣排出；隨后將預(yù)聚體澆注到 表面光滑的硅橡膠質(zhì)模具中，再次真空脫氣后置于鼓 風(fēng)干燥箱中，在60X：下加熱24h;待材料完全固化后從 硅橡膠模具揭下，得到長鏈接枝減阻薄膜，后簡稱“長 鏈薄膜”。在上述過程中不加人聚丙烯酰胺，只加人水 性環(huán)氧乳液、固化劑及增塑劑，反應(yīng)后制得表面光滑的 水性環(huán)氧樹脂薄膜，后簡稱“光滑薄膜”，用于和長鏈薄 膜作性質(zhì)對比分析。

 

環(huán)氧基團(tuán)C-t-NH— CHCH—FII ;IOO :OH, 圖1酰胺基與環(huán)氧基的接枝共聚反應(yīng)式 Fig 1 Graft copolymerization reaction equation ofacylamino and epoxy group 2.2長鏈薄膜的性能表征 2.2.1長鏈薄膜的材料性質(zhì)表征在確保具有良好機(jī)械性能的前提下，良好的耐水 性是長鏈薄膜能在航行器上應(yīng)用的基本要求。長鏈薄 膜的機(jī)械性能測量采用Instr〇n5565-5kN型電子萬能 試驗(yàn)機(jī)測量，耐水性能檢測采用AVATAR360型紅外 光譜儀檢驗(yàn)薄膜浸水后所析出粘液的成分，采用CS3400型掃描電子顯微鏡分析薄膜沖水后表面元素 的比例。

 

減阻率是長鏈薄膜的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，本文在中船 重工七〇二所的空泡水筒中對長鏈薄膜的減阻韋進(jìn)行 測試。水簡檢測段長3. 2m,直徑0. 8m,穩(wěn)定水速為 3.5m/s以上，通常允許的最大水速為10m/s;測試所 用阻力天平量程300N,載荷分辨率0. 1N。測試模型 為彈體模型，由LY12鋁合金制成，前端為橢球體，后 端為圓柱體(09OmmXSOOmm),待測薄膜貼于模型的 圓柱表面，如圖2所示，F(xiàn)ig 2 Installation Instruction of the test sample 測試在均流條件下進(jìn)行，水溫23*C,測試前先以 3m/s的水速排氣lh,測量水速由3. 6m/s開始，依次 遞增至lOm/s,每間隔一定速度測量一次阻力值，測試 過程約lh。測fl相同速度下貼光滑薄膜的模型阻力 F。和貼長鏈薄膜的模型阻力F,長鏈薄膜在該速度下 的減阻率的計(jì)算方法如式（1)所示：DR = F°: Fl. X 100%(1)

 

3結(jié)果與討論3.1長鏈薄膜的機(jī)械性能將長鏈薄膜制成80mm X 20mm X 0. 3mm的樣 件，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測試，測得薄膜的機(jī) 械性能如下：拉伸模fl為37. 64MPa，斷裂伸長率為 26%，抗拉強(qiáng)度為0. S2MPa,以上性能參數(shù)表明，長 鏈薄膜具有較好的彈性和韌性，在較大的變形率下不 易發(fā)生脆斷，能夠貼附在平面。圓柱面、翼型面等多種 形體表面/可以用于多種形狀的航行器- 3.2長鏈薄膜的耐水性能在航行器表面應(yīng)用的減阻膜必須具備一定耐水沖 刷的能力，本文通過測量長鏈薄膜沖水前后其質(zhì)量及 材質(zhì)變化分析薄膜耐水性能。

 

先將薄膜在60‘C烘干稱重，再分別置于水速為 0.1、l、2m/s的水流中沖刷一定時(shí)間后烘干稱重，測最 出薄膜的單位面積累積質(zhì)最損失如圖3所示?

 

由圖3可知，長鏈薄膜質(zhì)量減少的初始速度隨水 速的升高而增加，這說明水速越高聚丙烯酰胺分子被 水帶走的初始速度也越快；3種水速?zèng)_刷120min以后 薄膜單位面積的累計(jì)質(zhì)量損失都向一個(gè)值趨近，表明 3種不同水速下被水沖走的物質(zhì)基本相同，并且6〇mjn 后該物質(zhì)不會再大量損失，將流過長鏈薄膜表面的水收集后濃縮，對其進(jìn)行 紅外光譜分析（圖4),與純聚丙烯酰胺的紅外光遒圖 (圖5)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，兩圖在2000cm 1以下的部分非 常接近，都有酰胺基團(tuán)（一CON H2)上羰基的特征吸收 峰（ISMcm1附近）、~CH2_基團(tuán)中C—H的特征吸 收峰（UMcm-1附近 >,說明被水帶走的物質(zhì)中含有聚 丙烯酰胺；圖4中并不含有環(huán)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），說明環(huán)氧樹脂并未被沖走，薄膜 的質(zhì)量損失主耍是由聚丙烯酰胺溶于水中所引起的?

 

200015001000VVbvenunibeiycnr1圖5純聚丙烯酰胺的紅外光譜圖Fig 5 Infrared spectrogram of polyacrylamide在顯微鏡下觀察沖水后的長鏈薄膜表面，發(fā)現(xiàn)薄 膜表面保持光滑完整，無剝蝕現(xiàn)象，這表明水性環(huán)氧樹 臘固化后強(qiáng)度較高，雖然在水流沖刷下長鏈薄膜損失 了部分聚丙烯酰胺，但環(huán)氧樹脂作為薄膜基體仍穩(wěn)固 連接保持表面完整，防止了因表面變粗糙而引起的阻 力增加a對光滑薄膜、未沖水的長鏈薄膜以及2m/s的水 流沖刷120ming的長鏈薄膜分別進(jìn)行表面能譜分析， 測fi碳、氮、氧3種元素的原子數(shù)之比，如圖6所示。

 

<b)長鏈薄聯(lián)未沖水 CNIi9_-.■一0<c>長鏈薄膜已沖水光滑薄膜表面并未檢測出氮元素，而長鏈薄膜表 面含有大量氮元素，說明氮元素是由聚丙烯酰胺分子 中的酰胺基(一 CONH2)所引人的，沖水后長鏈薄膜 表面氮碳原子數(shù)比下降了約1/3,說明在水流沖刷下 有部分聚丙烯酰胺分子被帶走，但仍有大量聚丙烯丑 胺分子牢固連接在薄膜表面。

 

在水流長時(shí)間沖刷下，長鏈薄膜表面仍能夠保持 光滑完整并附著大量聚丙烯酰胺分子，表明長鏈薄膜 在水中應(yīng)用時(shí)有一定保持原狀的能力，其耐水性較好。 3.3長鏈薄膜的減阻性能光滑薄膜和長鏈薄膜的模型樣件阻力及長鏈薄膜 的減阻率如表1所示。

 

圖7給出了光滑薄膜和長鏈薄膜樣件在試驗(yàn)工況 下的阻力對比，圖8給出了長鏈薄膜在試驗(yàn)工況下的 減阻率曲線。

 

彳?(氧戶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圖6薄膜表面能譜分析結(jié)果 Fig 6 Energy spectrum analysis of the film surface表1光滑薄膜與長鏈薄膜實(shí)測阻力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長鏈薄膜阻力FJN)2. 202.963.784. 656. 237. 979.8611.9014. 1016.4618. 9624.4530. 55減阻率Di?(%)6.89. 210,210.810.910. 510,09.58.98.37.77.57.4? Smooth film ^ Long-chain film此后薄膜不會再大量析出聚內(nèi)烯酰胺，以上減阻效果 是由固連在薄膜表面的聚丙烯酰胺分子產(chǎn)生的，對其Fig 8 Drag reduction efficiency curve of long-chain film由圖7、8可見，在3. 6?lOm/s水速范圍內(nèi)長鏈薄 膜樣件阻力明顯小于光滑薄膜；當(dāng)水速較低時(shí)，長鏈薄 膜的減阻率較小；隨著水速的增加，減阻率也逐漸增 加，在水速約5m/s時(shí)達(dá)到最大值10. 9%;之后隨著流 速的增長減阻率有所下降，但基本穩(wěn)定在8%左右。

 

由于在測試前對模型以3m/s的水速?zèng)_刷了 lh, 減阻機(jī)理可做如下解釋：固連在薄膜表面的長鏈聚丙 婦酰胺分子微溶于水中后溶脹形成高枯彈性的薄液 層，能夠衰減湍流時(shí)邊界層的脈動(dòng)，減少能量損 失[1°’11]。一端固連在壁面上的長鏈分子還能將流體 的剪切力傳遞至鄰近液面，是薄膜表面由無滑差狀態(tài) 產(chǎn)生擬似滑動(dòng)現(xiàn)象，從而增厚粘性底層，降低近壁層的 速度梯度，進(jìn)一步達(dá)到減少表面摩擦阻力的效果[7’8]。 起初速度較低時(shí)，近壁區(qū)的湍流度較小，粘液層抑制揣 流的程度有限，因此減阻率較低。隨著流速增加，湍流 脈動(dòng)增強(qiáng)，粘液層抑制湍流的作用增強(qiáng)，減阻率相繼升 高。而速度超過5m/s以后減阻率又有所下降，這可能 是由于隨著水速的增加表面摩阻占總阻力的比例逐漸 下降，而長鏈薄膜僅減小模型樣件的表面摩阻，因此減 阻率出現(xiàn)下降趨勢在測完長鏈薄膜樣件在水速l〇m/S的阻力值以 后，將水速降至6m/s繼續(xù)沖刷lh，在沖刷過程中測得 樣件的阻力較先前測得水速6m/s下的阻力并無明顯 變化。測量完成后用顯微鏡觀察薄膜表面，發(fā)現(xiàn)薄膜 表面仍能夠保持光滑完整。長鏈薄膜經(jīng)過測試過程的 3h水流沖刷后仍具有減阻效果，在第二和第三小時(shí)之 間減阻率保持穩(wěn)定，并且表面未發(fā)生剝蝕，這些結(jié)果表 明長鏈薄膜在有效減阻時(shí)間、減阻穩(wěn)定性等方面高于 水溶性高分子涂層，在航行器減阻領(lǐng)域的應(yīng)用范圍更588^ii^^ 2011 年第 4 期（42)卷4結(jié)論利用接枝共聚反應(yīng)將聚丙烯酰胺長鏈分子固連在 水性環(huán)氧樹脂基材上，再加人增塑劑制成了長鏈接枝 減阻薄膜。通過研究長鏈薄膜的機(jī)械性能、耐水性能 和減阻性能，得到如下結(jié)論：，(1)長鏈薄膜拉伸模量為37.64MPa，斷裂伸長 率為26%，抗拉強(qiáng)度為0. 92MPa，具有較好的彈性和 韌性，能夠貼附在平面、圓柱面、翼型面等多種形體表 面。

 

(2)長鏈薄膜表面在長時(shí)間水流沖刷下仍有大 量聚丙烯酰胺分子固連在表面發(fā)揮減阻作用，并且薄 膜表面能夠保持光滑完整，因此薄膜具有較好的耐水 性。

 

(3)長鏈薄膜在水速3.6?10m/S的工況下具有 明顯減阻效果，平均減阻率9. 1%，最高減阻率達(dá)到 10.9%，有效減阻時(shí)間在3h以上，具備一定長效減阻 能力。