仿生聚合物基双疏耐磨复合涂层的构建、微结构及摩擦学性能研究

根据井管涂层耐温防腐、阻垢耐磨新需求，引入仿生双疏概念，提出纳米粒子/超细纤维多尺度协同增强耐磨、纳微孔匹配构筑纳微二元协同粗糙结构、自润滑作用于一身的聚合物基双疏耐磨复合涂层的设计思想。涂层厚度可控、内含纳微孔匹配的超微孔结构，使得涂层表面即使磨损后新暴露表面仍为双疏表面，可长期保持双疏减摩耐磨特性。拟采用实验研究、微观分析和建立相关模型相结合的方法对聚合物基双疏复合涂层的设计、制备、微结构调控、润湿性调控、组成-微结构与水下、采出液中摩擦学性能的关系等关键科学问题进行深入研究，揭示其内在联系的规律性。通过化学工程、材料科学和摩擦学的高度交叉性研究，在聚合物基双疏耐磨复合涂层的制备、组成与微结构控制、表面润湿性控制，水下、采出液中的减摩耐磨机理等理论研究方面取得显著突破，为苛刻环境下国家化石能源和地热资源安全生产和经济性运行作出积极贡献。

项目的背景.新材料是科技进步的基石，仿生功能一体化新涂层的研究和开发是21世纪材料研究的热点之一。超疏水及双疏涂层在石油管道的防腐、减阻、耐磨、阻垢和抗结冰等方面有着重要的应用前景。但是其低成本制备、涂层耐磨性是一个国际共性的难题/挑战。.主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义.首先以纳微米级造孔剂制备超疏水PPS基复合涂层，并进行了耐温、耐摩磨等性能研究。结果表明，当NaCl含量为5 wt.%-10%时复合涂层可实现超疏水。以5wt%NH4HCO3为造孔剂时PPS基复合涂层具有良好的超双疏性和耐磨损性，1000目砂纸打磨10000次后涂层仅有轻微磨痕。进一步利用低表面能物质和纳微结构制备出超双疏PPS基复合涂层，涂层具有良好耐温、耐腐蚀、耐磨性能。当43wt%FEP/1%PDMS时，涂层对水、甘油、乙二醇、原油、油水混合物等超疏。此外，涂层的耐腐蚀性和热稳定性十分优异。强化摩擦30h后涂层仍完好无损，磨损面上水、甘油、乙二醇仍能保持双疏特性。.通过化学改性并与纤维复合制备了无氟超疏水、高疏油复合涂层。150℃的高温、腐蚀性溶液处理后该复合涂层具有很好的双疏性。此外制备了PPS/PTFE超双疏减摩耐磨复合涂层。研究了PPS/PTFE复合涂层、纯PPS涂层以及商业涂层的双疏性能及三种涂层在油田采出液中的摩擦磨损性能。结果表明水、原油及油田采出液在复合涂层上展现出优异的超双疏性能。与纯PPS涂层与商业涂层对比，PPS/PTFE复合涂层的耐磨损性能分别提高了49.1和89.1倍。复合涂层表面具有“类表面织构效应”能够捕捉磨屑以减少沟壑的形成，存储部分采出液形成了混合膜润滑，这对复合材料耐磨性能的提高具突出贡献。. 采用化学改性和喷涂法制备出超双疏EP/MPVDF/FEP复合涂层，对水和甘油接触角分别为166°，155°，滚动角3°，5°。在强酸强碱条件下，仍能保持很好的超疏水性。PVDF树脂引入改善了EP脆性。含25%FEP涂层耐磨寿命是纯环氧涂层的18倍。归功于涂层表面具有多级纳微结构，FEP自润滑性能，环氧与MPVDF之间发生了化学反应。电化学测试表明超双疏涂层耐蚀性能大幅提升。.综上，通过化学工程、材料科学和摩擦学的高度交叉性研究，在聚合物基双疏耐磨复合涂层的制备、组成与微结构控制、表面润湿性控制，水下、采出液中的减摩耐磨机理等研究方面取得了显著突破。