1948年Toms在第一屆國(guó)際流變學(xué)會(huì)議上發(fā)表 了關(guān)于長(zhǎng)鏈高聚物減阻機(jī)理研究的論文，此后長(zhǎng)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(duì)水中航行器應(yīng)用長(zhǎng)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(huì)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(huì)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(guó)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(kāi)始銳減， 英國(guó)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(yú)雷等 瞬時(shí)工作的航行器，而對(duì)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(guò)改進(jìn) 成分延長(zhǎng)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(wèn)題，目前有效減阻時(shí)間短仍是制約長(zhǎng)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(zhǎng)鏈高分子減阻 劑——聚丙烯酰胺固連在水性環(huán)氧樹(shù)脂基材上，再加 入增塑劑制成了長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)鏈分子中的一部分酰胺基團(tuán)與 水性環(huán)氧樹(shù)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(guò)濾，獲得預(yù)聚體。對(duì)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(zhǎng)鏈接枝減阻薄膜，后簡(jiǎn)稱“長(zhǎng) 鏈薄膜”。在上述過(guò)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(shù)脂薄膜，后簡(jiǎn)稱“光滑薄膜”，用于和長(zhǎng)鏈薄 膜作性質(zhì)對(duì)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(zhǎng)鏈薄膜的性能表征 2.2.1長(zhǎng)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(zhǎng)鏈薄膜能在航行器上應(yīng)用的基本要求。長(zhǎng)鏈薄 膜的機(jī)械性能測(cè)量采用Instr〇n5565-5kN型電子萬(wàn)能 試驗(yàn)機(jī)測(cè)量，耐水性能檢測(cè)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(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)鏈薄膜的減阻韋進(jìn)行 測(cè)試。水簡(jiǎn)檢測(cè)段長(zhǎng)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(cè)試所 用阻力天平量程300N,載荷分辨率0. 1N。測(cè)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(cè)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(cè)試在均流條件下進(jìn)行，水溫23*C,測(cè)試前先以 3m/s的水速排氣lh,測(cè)量水速由3. 6m/s開(kāi)始，依次 遞增至lOm/s,每間隔一定速度測(cè)量一次阻力值，測(cè)試 過(guò)程約lh。測(cè)fl相同速度下貼光滑薄膜的模型阻力 F。和貼長(zhǎng)鏈薄膜的模型阻力F,長(zhǎng)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(zhǎng)鏈薄膜的機(jī)械性能將長(zhǎng)鏈薄膜制成80mm X 20mm X 0. 3mm的樣 件，在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測(cè)試，測(cè)得薄膜的機(jī) 械性能如下：拉伸模fl為37. 64MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為 26%，抗拉強(qiáng)度為0. S2MPa,以上性能參數(shù)表明，長(zhǎng) 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(zhǎng)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(guò)測(cè)量長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)鏈薄膜質(zhì)量減少的初始速度隨水 速的升高而增加，這說(shuō)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(huì)再大量損失，將流過(guò)長(zhǎng)鏈薄膜表面的水收集后濃縮，對(duì)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(duì)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(shuō)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(shuō)明環(huán)氧樹(shù)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(zhǎng)鏈薄膜表面，發(fā)現(xiàn)薄 膜表面保持光滑完整，無(wú)剝蝕現(xiàn)象，這表明水性環(huán)氧樹(shù) 臘固化后強(qiáng)度較高，雖然在水流沖刷下長(zhǎng)鏈薄膜損失 了部分聚丙烯酰胺，但環(huán)氧樹(shù)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(duì)光滑薄膜、未沖水的長(zhǎng)鏈薄膜以及2m/s的水 流沖刷120ming的長(zhǎng)鏈薄膜分別進(jìn)行表面能譜分析， 測(cè)fi碳、氮、氧3種元素的原子數(shù)之比，如圖6所示。

 

<b)長(zhǎng)鏈薄聯(lián)未沖水 CNIi9_-.■一0<c>長(zhǎng)鏈薄膜已沖水光滑薄膜表面并未檢測(cè)出氮元素，而長(zhǎng)鏈薄膜表 面含有大量氮元素，說(shuō)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(zhǎng)鏈薄膜 表面氮碳原子數(shù)比下降了約1/3,說(shuō)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(zhǎng)時(shí)間沖刷下，長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)鏈薄膜的減阻性能光滑薄膜和長(zhǎng)鏈薄膜的模型樣件阻力及長(zhǎng)鏈薄膜 的減阻率如表1所示。

 

圖7給出了光滑薄膜和長(zhǎng)鏈薄膜樣件在試驗(yàn)工況 下的阻力對(duì)比，圖8給出了長(zhǎng)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(zhǎng)鏈薄膜實(shí)測(cè)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(zhǎng)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(huì)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(duì)其Fig 8 Drag reduction efficiency curve of long-chain film由圖7、8可見(jiàn)，在3. 6?lOm/s水速范圍內(nèi)長(zhǎng)鏈薄 膜樣件阻力明顯小于光滑薄膜；當(dāng)水速較低時(shí)，長(zhǎng)鏈薄 膜的減阻率較??；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(zhǎng)減阻率有所下降，但基本穩(wěn)定在8%左右。

 

由于在測(cè)試前對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(guò)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(zhǎng)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(shì)在測(cè)完長(zhǎng)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(guò)程中測(cè)得 樣件的阻力較先前測(cè)得水速6m/s下的阻力并無(wú)明顯 變化。測(cè)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(zhǎng)鏈薄膜經(jīng)過(guò)測(cè)試過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)鏈分子固連在 水性環(huán)氧樹(shù)脂基材上，再加人增塑劑制成了長(zhǎng)鏈接枝 減阻薄膜。通過(guò)研究長(zhǎng)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(zhǎng)鏈薄膜拉伸模量為37.64MPa，斷裂伸長(zhǎng) 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(zhǎng)鏈薄膜表面在長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)效減阻 能力。