小口径不锈钢管固体表面润湿机理及其研究现状

  浙江至德钢业有限公司在对小口径不锈钢管内表面抗黏附性研究过程中，有必要从管道壁面抗黏附机理与小口径不锈钢管道内表面的加工工艺两方面进行分析。因此，本文将针对固体表面润湿机理与小口径不锈钢管道内表面加工技术两个方面进行国内外研究现状进行介绍。固体表面液体黏附是当固液两相在经过接触．融合．离开过程后，液体在固体表面残留的现象。液体在固体表面黏附量的多少与其润湿过程有着密不可分的联系。一般来讲，固体表面的润湿性主要由两个因素决定：固体表面化学成分和表面微观形貌。当然，特定条件下环境因素变化（如温度、压力、磁电和光热等对材料的刺激）也会明显改变润湿性。固体表面的液体润湿过程实际上涉及的是固、气、液三相界面的变化与移动过程，但在分析该变化过程中，由于内部影响因素复杂，如：实际固体表面的不均匀性、微观形貌多样性以及固体表面能无法直接测量，液体分子结构不均，分子间间距短，分子间作用力，环境条件也会对润湿过程产生一定的影响等因素，使得固-液．气三相界面的物理化学现象变的十分复杂。为了了解润湿现象的形成机理与本质，揭示现有物理化学现象，基于大量的实验结果，研究者们对其进行了大量定性与定量研究，建立其很多简化理论模型以解释固体表面润湿性：从Young's方程、Wenzel模型、Cassie-Baxter模型，再到分级理论和Young-Dupre公式等。此外，还有很多其他的模型被陆续的提出来，例如具有微纳米复合结构的柱沟槽模型、倒抛物线模型、倒梯形模型等。针对本文研究方向与材料表面几何形貌特点，我们将对Young's方程、Wenzel模型、Cassic-Baxter模型与Young-Dupre公式四个基本模型进行简单介绍，研究其与润湿性之间的关系，进而寻找提高材料表面抗黏附能力的方法。

    针对固体表面润湿机理的分析，人们往往习惯于从经典的Wenzel模型与Cassie-Baxter模型角度出发。虽然这三个经典理论已经奠定了当前固液润湿理论的基础，但是使用它们来解释一些动态润湿现象或过程并用来指导抗黏附表面的制备与应用难免牵强。因为目前这些经典性理论只是针对理想表面或实际粗糙表面的一种静态描述，对于许多动态性问题它们存在诸多的局限性。事实上，在本文的固体表面抗黏附特性分析中，固-液．气三相接触线动态特性的表征是尤为重要的，它的建立将让我们可以对固体表面润湿与退润湿的整个过程有一个系统性的了解与掌握。因此，如何从宏观的角度建立起三相接触线移动过程，并从微观的系统能量角度分析液体黏附机理是解决固．液界面黏附问题的关键。

    而在对材料表面黏附性能进行分析时，首要事项是如何对固体表面进行测量与表征。本文面向的小口径不锈钢管按其生产方法不同可分为热轧管、冷轧管与冷拔管，而这些生产方式会导致管道内表面产生不同程度的单向平行纹理，形成各向异性表面。为对管道内表面粗糙轮廓进行分析，至德钢业采用接触式表面轮廓测量仪对SUS316L不锈钢冷拔管内表面进行二维粗糙度轮廓的抽样测量，其中测量方向垂直于纹理方向，其表面轮廓如图2.1所示。从图中可以看出管道内表面轮廓截面呈现三角波形，同时这种轮廓截面也是最为常见的机械加工处理后的表面。因此，本文在润湿性机理研究中将主要考虑具有等腰三角波形截面轮廓的各向异性表面。结合IS0 4287-2009及GB/T 1031-2009的机械加工表面粗糙度表征方法与上述结构简化结果对管道内表面微观结构进行分析，发现从统计学角度可采用轮廓单元的平均线高度Rc与轮廓单元的平均宽度Rsm对等腰三角波形截面轮廓进行表征。