在管道运输过程中，常常会在管道内形成水合物导致堵塞。管道涂层作为一种防治水合物新型手段被广泛研究。然而，目前大多数研究仅限于有机涂层，这可能带来不利的环境后果。此外，一些 通过直接喷涂在基底制备的无机涂层结合力较差。

 针对这一挑战，华南理工大学化学与化工学院樊栓狮、王燕鸿团队提出创新思路，通过使用多巴胺（pDA）结合氧化铈与管道钢材X80，制备了一种仿生花型CeO2/pDA@X80超疏水涂层。图1（b）展示了得到的CeO2的形态是粗糙的。图1（c–d）显示了CeO2pDA@X80涂层表面呈花朵形状。此外， SEM（图1e）和背散射电子图像（BSE，图1f）都显示涂层厚度约为20微米。

图1 （a）裸露X80;（b）CeO2纳米棒;（c-d）CeO2/pDA@X80涂层从低倍率到高倍率;

（e）CeO2/pDA@X80涂层的厚度的SEM图像;（f） CeO2/pDA@X80涂层的 BSE 图像

 为进一步表征涂层的润湿性，进行了水接触角。如图2（a–d）所示，仿生涂层使X80在空气中的水接触角从82.6°增加到154.7°，在CP中从84.7°增加到155.5°。CeO2/pDA@X80涂层和水滴之间的低附着力归因于现有空气层提供了较高比例的气-固体界面，从而诱导滑滴的运动。

图 2. X80（a）、CeO2/pDA@X80 涂层（b）在空气中的水接触角以及在环戊烷中对应的水接触角（c - d）

 图3展示了接触角和滑动角随侵蚀时间的变化。在砂侵蚀的最初2小时内，涂层的WCA略微从154.7°降至153.9°，WSA仍低于10°。相比之下，X80的WCA从84.7°下降至72.5°。然而，由于砂侵蚀时间持续3小时，涂层失去了超疏水性，WCA为148°，WSA为12°。结果表明，长期的沙子侵蚀对CeO2/pDA@X80涂层具有破坏性。

图3 CeO2/pDA@X80涂层在砂侵蚀试验中接触角和滑动角的变化，误差界限表示三次重复测试的平均偏差

 使用MMF装置分别测量了CP水合物与有涂层和无涂层基材之间的附着力。由于金属表面没有预熔层，水合物颗粒与X80表面之间的附着力极其微弱，0.117 mN·m−1。CeO2/pDA@X80涂层在表面修饰前是亲水性的。研究了无表面修饰涂层时的水合物-附着力。结果表明亲水涂层表面的水合物附着力最高，力值为2.070 mN·m−1，是X80的18倍。这种强烈的附着力主要是由于亲水表面粗糙度的增加。更高的粗糙度会导致水合物与基底接触面积更大，因此更多水合物结构嵌入缺陷中，从而带来更好的附着力。然而，对于超疏水性CeO2/pDA@X80涂层时，附着力仅为0.001 mN·m−1，相比X80减少了约98.9%。由于表面自由能较低，涂层表面难以被预熔层润湿，水合物-基底毛细桥也被大幅削弱。然而，毛细桥是水合物-管壁之间粘附的主要机制。因此，在大多数情况下，水合物无法附着在涂层表面。此外，还测量了X80和涂层在2小时砂磨后水合物的附着力。结果确认X80的附着力从0.117 mN·m−1增加到>0.858 mN·m−1。增强的附着力是由于X80表面粗糙，容易穿透水合物壳体。然而，砂蚀涂层的平均水合物附着力仅为0.006 mN·m−1，这表明 CeO2/pDA@X80涂层即使在砂子磨损后仍保持超低水合物附着性能。

图4 不同基底的平均水合物附着力：（a）X80;（b） 未改性的CeO2/pDA@X80涂层;（c） CeO2/pDA@X80涂层;

（d） 经过2小时砂磨的X80;以及（e） CeO2/pDA@X80涂层，经过2小时砂磨后，误差界限代表平均偏差40次重复测试

 相关工作成果近日以 “Preparation and performance of biomimetic superhydrophobic coating on X80 pipeline steel for inhibition of hydrate adhesion”为题发表在化工领域国际期刊《Chemical Engineering Journal》（419, 2021, 129651）。文章通讯作者为华南理工大学化学与化工学院樊栓狮教授，第一作者为华南理工大学化学与化工学院博士生张文娟，论文作者还包括化学与化工学院王燕鸿副研究员、郎雪梅副研究员和李刚教授。该研究得到了中国国家自然科学基金（21736005、51876069）、国家重点研发项目（2017YFC0307302、2017YFC0307303和2016YFC0304006）以及中国石油创新基金会（2018D-5007-0203）的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721012377?via%3Dihub