论文标题： A Biomimetically Constructed Superhydrophobic Coating with Excellent Mechanical Durability and Chemical Stability for Gas Transmission Pipelines

期刊：Engineering

作者：Xuerui Zang, Yan Cheng, Yimeng Ni, Weiwei Zheng, Tianxue Zhu, Zhong Chen, Jiang Bian, Xuewen Cao, Jianying Huang, Yuekun Lai

发表时间： November 2024

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.03.024

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近日，在《Engineering》期刊上发表的一项最新研究中，来自福州大学和中国石油大学（华东）的研究人员提出了一种仿生牙釉质超疏水耐磨涂层的制备方法，该涂层兼具修补和缓冲功能，不仅能够修补受损表面，而且具有优异耐冲蚀性能。这种创新的多功能涂层设计方法对海洋油气田安全高效开发具有重要的应用价值。

海洋油气田开发过程中长期存在的腐蚀和冲蚀问题严重威胁油气田的安全高效开发。由于超疏水涂层可以显着减少腐蚀性物质与基材之间的相互作用，因而受到领域内研究人员的广泛关注。然而，这种类型的涂层通常表现出较差的机械性能，限制了其在实际工况中的长期应用。为克服这一难题，福州大学赖跃坤教授和中国石油大学（华东）曹学文教授的研究团队研发了一种仿生牙釉质超疏水耐磨涂层，具有强大的耐冲蚀性能和耐腐蚀性能，可应用于环境复杂的海底管道。

这种名为仿生牙釉质（DEA）的涂层材料耦合了三种防护策略，首先是通过月桂酸改性的TiO₂颗粒与碳纳米管（CNT）颗粒构造多层仿生牙釉质梯度结构，以提高涂层表面的抗拉强度和耐冲击性能。其次，采用直链淀粉水凝胶作为中间缓冲层能够有效分散冲击能量。第三，具有一定流动性的直链淀粉水凝胶会自发填充受损表面间隙并阻止外部水分的渗透，以减少局部腐蚀问题的发生。

图. 兼具修补和缓冲特性的仿生DEA涂层的制备方案。

受人体牙釉质启发，构建了一种粘弹性逐层增加的仿生涂层，底层的直链淀粉粘性水凝胶不仅起到缓冲作用，还可以作为自修复填充层。通过多次旋涂TiO2@LA和CNTs和热压的方法，在水凝胶顶部构建了坚固耐磨的超疏水表面。该结构可提高其在冲击载荷下的能量分散，防止裂纹扩展。优异的机械耐久性和耐腐蚀性使其在保护输油管道免受侵蚀和腐蚀方面具有极大的应用潜力。

修复性测试表明，不同于常见的亲水水凝胶吸水膨胀的性质，直链淀粉水凝胶在裂缝产生后可以完全修补50 μm宽的裂缝，有效防止了涂层因开裂、脱落而导致的涂层失效问题的发生。

该研究结果在持续24小时的冲蚀环路实验中得到了进一步证实。不同受损程度表面均能够有效降低冲蚀速率，数值维持在39.52–55.88 nm/s范围内。与316L钢片相比，DEA涂层的侵蚀率最大可降低57.6%，证实了牙釉质结构和水凝胶修复策略的优越性。此外，电化学腐蚀测试与化学稳定性测试均表明了涂层对耐腐蚀介质渗透的优异抵抗力。

通过创新性的修补和缓冲结构结合的策略，增强了超疏水涂层的耐冲击性，还显著提高了涂层的耐腐蚀性能。该研究所提出的仿生牙釉质超疏水耐磨涂层的开发，为提升超疏水涂层机械耐久性问题提供了新的思路，为管道安全开发和冲蚀–腐蚀防护提供了缓蚀理论基础和缓蚀防护新技术。

文章信息：

A Biomimetically Constructed Superhydrophobic Coating with Excellent Mechanical Durability and Chemical Stability for Gas Transmission Pipelines

作者：

Xuerui Zang, Yan Cheng, Yimeng Ni, Weiwei Zheng, Tianxue Zhu, Zhong Chen, Jiang Bian, Xuewen Cao, Jianying Huang, Yuekun Lai

引用：

Xuerui Zang, Yan Cheng, Yimeng Ni, Weiwei Zheng, Tianxue Zhu, Zhong Chen, Jiang Bian, Xuewen Cao, Jianying Huang, Yuekun Lai, A Biomimetically Constructed Superhydrophobic Coating with Excellent Mechanical Durability and Chemical Stability for Gas Transmission Pipelines, Engineering, 2024, ISSN 2095–8099, https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.03.024.

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https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.03.024

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