1948年Toms在第一屆國際流變學會議上發表 了關於長鏈高聚物減阻機理研究的論文，此後長鏈高 分子減阻劑被大量應用到石油、水等液體的管道運輸 上，取得了 20%?50%的顯著減阻效果[1’2]。人們也 嚐試對水中航行器應用長鏈高分子減阻劑，目前所采 用的方法是將其製成可溶性高分子塗層覆蓋在航行器 表麵，依靠塗層的溶解向近壁區緩慢釋放減阻劑[3]。 該方法雖然能夠使航行器阻力降低約20%，但高分子 塗層會因溶解在水中而迅速消耗，並且塗層各處溶解 速度不一致還會形成粗糙表麵影響減阻效果，因此塗 層的有效減阻時間很短[<]。美國海軍部的水溶性高分 子減阻塗料其減阻性能從衝水2. 5min後開始銳減， 英國皇家海軍材料研究所的高分子減阻塗料衝水 llmin後減阻效果消失[6]，這類塗層主要用於魚雷等 瞬時工作的航行器，而對於賽艇、救援艇、緝私艇等單 次航行時間在數小時左右又迫切需要減阻提速的船隻 則很難應用。雖然金善熙[4]、吳聖儒等人[7’8]通過改進 成分延長了塗層保持時間，但仍不能解決塗層在衝水 時的剝蝕問題，目前有效減阻時間短仍是製約長鏈高 分子減阻劑在航行器上廣泛應用的瓶頸。
本文利用接枝共聚反應將一種長鏈高分子減阻 劑——聚丙烯酰胺固連在水性環氧樹脂基材上，再加 入增塑劑製成了長鏈接枝減阻薄膜。為檢驗這種薄膜 在航行器上的實用性，對其機械性能、耐水性能、減阻 率及有效時間等材料特性進行了研究，從而為長鏈高 分子減阻劑在航行器減阻領域的廣泛應用奠定基礎。
2實驗 2.1長鏈薄膜的製備首先配置濃度為2%的聚丙烯酰胺（PAM)水溶 液，然後向其中加人水性環氧乳液（AfrEP-44)並攪拌 30min，使聚丙烯酰胺長鏈分子中的一部分酰胺基團與 水性環氧樹脂乳液中的環氧基團發生接枝共聚反 應[9]，反應方程式如圖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),將以上混合物攪拌後過濾，獲得預聚體。對其 進行預脫氣，將混人的空氣排出；隨後將預聚體澆注到 表麵光滑的矽橡膠質模具中，再次真空脫氣後置於鼓 風幹燥箱中，在60X：下加熱24h;待材料完全固化後從 矽橡膠模具揭下，得到長鏈接枝減阻薄膜，後簡稱“長 鏈薄膜”。在上述過程中不加人聚丙烯酰胺，隻加人水 性環氧乳液、固化劑及增塑劑，反應後製得表麵光滑的 水性環氧樹脂薄膜，後簡稱“光滑薄膜”，用於和長鏈薄 膜作性質對比分析。
環氧基團C-t-NH— CHCH—FII ;IOO :OH, 圖1酰胺基與環氧基的接枝共聚反應式 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表征在確保具有良好機械性能的前提下，良好的耐水 性是長鏈薄膜能在航行器上應用的基本要求。長鏈薄 膜的機械性能測量采用Instr〇n5565-5kN型電子萬能 試驗機測量，耐水性能檢測采用AVATAR360型紅外 光譜儀檢驗薄膜浸水後所析出粘液的成分，采用CS3400型掃描電子顯微鏡分析薄膜衝水後表麵元素 的比例。
減阻率是長鏈薄膜的關鍵技術指標，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行 測試。水簡檢測段長3. 2m,直徑0. 8m,穩定水速為 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鋁合金製成，前端為橢球體，後 端為圓柱體(09OmmXSOOmm),待測薄膜貼於模型的 圓柱表麵，如圖2所示，Fig 2 Installation Instruction of the test sample 測試在均流條件下進行，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 的減阻率的計算方法如式（1)所示：DR = F°: Fl. X 100%(1)
3結果與討論3.1長鏈薄膜的機械性能將長鏈薄膜製成80mm X 20mm X 0. 3mm的樣 件，在電子萬能試驗機上進行拉伸測試，測得薄膜的機 械性能如下：拉伸模fl為37. 64MPa，斷裂伸長率為 26%，抗拉強度為0. S2MPa,以上性能參數表明，長 鏈薄膜具有較好的彈性和韌性，在較大的變形率下不 易發生脆斷，能夠貼附在平麵。圓柱麵、翼型麵等多種 形體表麵/可以用於多種形狀的航行器- 3.2長鏈薄膜的耐水性能在航行器表麵應用的減阻膜必須具備一定耐水衝 刷的能力，本文通過測量長鏈薄膜衝水前後其質量及 材質變化分析薄膜耐水性能。
先將薄膜在60‘C烘幹稱重，再分別置於水速為 0.1、l、2m/s的水流中衝刷一定時間後烘幹稱重，測最 出薄膜的單位麵積累積質最損失如圖3所示?
由圖3可知，長鏈薄膜質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種水速衝刷120min以後 薄膜單位麵積的累計質量損失都向一個值趨近，表明 3種不同水速下被水衝走的物質基本相同，並且6〇mjn 後該物質不會再大量損失，將流過長鏈薄膜表麵的水收集後濃縮，對其進行 紅外光譜分析（圖4),與純聚丙烯酰胺的紅外光遒圖 (圖5)進行對比發現，兩圖在2000cm 1以下的部分非 常接近，都有酰胺基團（一CON H2)上羰基的特征吸收 峰（ISMcm1附近）、~CH2_基團中C—H的特征吸 收峰（UMcm-1附近 >,說明被水帶走的物質中含有聚 丙烯酰胺；圖4中並不含有環氧基的特征吸收峰 (83〇cm」附近），而含有吸附水中〇-— H的特征吸收 峰mSScrrT1附近），說明環氧樹脂並未被衝走，薄膜 的質量損失主耍是由聚丙烯酰胺溶於水中所引起的?
200015001000VVbvenunibeiycnr1圖5純聚丙烯酰胺的紅外光譜圖Fig 5 Infrared spectrogram of polyacrylamide在顯微鏡下觀察衝水後的長鏈薄膜表麵，發現薄 膜表麵保持光滑完整，無剝蝕現象，這表明水性環氧樹 臘固化後強度較高，雖然在水流衝刷下長鏈薄膜損失 了部分聚丙烯酰胺，但環氧樹脂作為薄膜基體仍穩固 連接保持表麵完整，防止了因表麵變粗糙而引起的阻 力增加a對光滑薄膜、未衝水的長鏈薄膜以及2m/s的水 流衝刷120ming的長鏈薄膜分別進行表麵能譜分析， 測fi碳、氮、氧3種元素的原子數之比，如圖6所示。
<b)長鏈薄聯未衝水 CNIi9_-.■一0<c>長鏈薄膜已衝水光滑薄膜表麵並未檢測出氮元素，而長鏈薄膜表 麵含有大量氮元素，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，衝水後長鏈薄膜 表麵氮碳原子數比下降了約1/3,說明在水流衝刷下 有部分聚丙烯酰胺分子被帶走，但仍有大量聚丙烯醜 胺分子牢固連接在薄膜表麵。
在水流長時間衝刷下，長鏈薄膜表麵仍能夠保持 光滑完整並附著大量聚丙烯酰胺分子，表明長鏈薄膜 在水中應用時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工況 下的阻力對比，圖8給出了長鏈薄膜在試驗工況下的 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薄膜表麵能譜分析結果 Fig 6 Energy spectrum analysis of the film surface表1光滑薄膜與長鏈薄膜實測阻力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此後薄膜不會再大量析出聚內烯酰胺，以上減阻效果 是由固連在薄膜表麵的聚丙烯酰胺分子產生的，對其Fig 8 Drag reduction efficiency curve of long-chain film由圖7、8可見，在3. 6?lOm/s水速範圍內長鏈薄 膜樣件阻力明顯小於光滑薄膜；當水速較低時，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時達到最大值10. 9%;之後隨著流 速的增長減阻率有所下降，但基本穩定在8%左右。
由於在測試前對模型以3m/s的水速衝刷了 lh, 減阻機理可做如下解釋：固連在薄膜表麵的長鏈聚丙 婦酰胺分子微溶於水中後溶脹形成高枯彈性的薄液 層，能夠衰減湍流時邊界層的脈動，減少能量損 失[1°’11]。一端固連在壁麵上的長鏈分子還能將流體 的剪切力傳遞至鄰近液麵，是薄膜表麵由無滑差狀態 產生擬似滑動現象，從而增厚粘性底層，降低近壁層的 速度梯度，進一步達到減少表麵摩擦阻力的效果[7’8]。 起初速度較低時，近壁區的湍流度較小，粘液層抑製揣 流的程度有限，因此減阻率較低。隨著流速增加，湍流 脈動增強，粘液層抑製湍流的作用增強，減阻率相繼升 高。而速度超過5m/s以後減阻率又有所下降，這可能 是由於隨著水速的增加表麵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麵摩阻，因此減 阻率出現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 後，將水速降至6m/s繼續衝刷lh，在衝刷過程中測得 樣件的阻力較先前測得水速6m/s下的阻力並無明顯 變化。測量完成後用顯微鏡觀察薄膜表麵，發現薄膜 表麵仍能夠保持光滑完整。長鏈薄膜經過測試過程的 3h水流衝刷後仍具有減阻效果，在第二和第三小時之 間減阻率保持穩定，並且表麵未發生剝蝕，這些結果表 明長鏈薄膜在有效減阻時間、減阻穩定性等方麵高於 水溶性高分子塗層，在航行器減阻領域的應用範圍更588^ii^^ 2011 年第 4 期（42)卷4結論利用接枝共聚反應將聚丙烯酰胺長鏈分子固連在 水性環氧樹脂基材上，再加人增塑劑製成了長鏈接枝 減阻薄膜。通過研究長鏈薄膜的機械性能、耐水性能 和減阻性能，得到如下結論：，(1)長鏈薄膜拉伸模量為37.64MPa，斷裂伸長 率為26%，抗拉強度為0. 92MPa，具有較好的彈性和 韌性，能夠貼附在平麵、圓柱麵、翼型麵等多種形體表 麵。
(2)長鏈薄膜表麵在長時間水流衝刷下仍有大 量聚丙烯酰胺分子固連在表麵發揮減阻作用，並且薄 膜表麵能夠保持光滑完整，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%，最高減阻率達到 10.9%，有效減阻時間在3h以上，具備一定長效減阻 能力。