Проекты

Модификация внутренней поверхности металлических труб с целью улучшения эксплуатационных характеристик

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Нанотехнологии» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Нанотехнология
Авторы работы: МАОУ ДО «ДЮЦ «Радость»
Предметы: Физика, Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 2020 года

Актуальность

Для многотоннажной прокачки нефти и газа используют трубы. Это удобный и недорогой способ доставки сырья от места добычи до места переработки, а затем и к потребителям. Но у труб есть ряд недостатков, а именно – склонность к коррозии, обледенению, биообрастанию и высокие теплопотери. На данный момент технологии позволяют устранять эти недостатки по отдельности. Мы же предлагаем бороться со всеми недостатками сразу, используя супергидрофобные покрытия.

Цель

Получить супергидрофобные трубы и изучить влияние супергидрофобности на эксплуатационные характеристики труб

Задачи

  1. Разработать установку для анодирования алюминиевых труб с целью получения оптимальной шероховатой текстуры
  2. Разработать метод гидрофобизации труб
  3. Исследовать характеристики смачивания полученных изделий, их стойкость к коррозии и обледенению и исследовать их свойства
  4. Изучить теплопроводность труб с супергидрофобным покрытием

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Расходные материалы

  • Алюминиевые трубы из сплава АД0 с габаритами 60х2х60 мм
  • Графитовые электроды
  • Фильтровальная бумага
  •  

Реактивы:

  • Тороксисиланы
  • Ортофосфорная кислота 70 % ХЧ
  • Гидроксид натрия тв. ХЧ
  • Изопропиловый спирт безводный ХЧ
  • Дистиллированная вода

Посуда:

  • Химические стаканы
  • Мерные колбы
  • Мерные цилиндры
  • Чашки Петри
  • Стеклянные палочки
  • Эксикатор

Оборудование:

  • Источник тока APS-3605L
  • Технические весы
  • Аналитические весы
  • Термометры
  • Сушильный шкаф
  • Хемосорбционный активатор
  • Цифровая камера для макросъёмки
  • Автоматический дозатор 10–100 мкл

Описание

Образцы обрабатывались в двухэлектродной системе – графитовый катод, образец – анод. Стабилизация по постоянному току. Образец трубы располагался вертикально, дно закрыто силиконовой накладкой, внутрь образца заливался электролит – 20–25 %-й водный раствор ортофосфорной кислоты, посередине образца располагался графитовый катод. Сам образец помещался в ванну с проточной водой, таким образом получалась двухконтурная ячейка с нагревом от образца и охлаждением от проточной воды, интенсивность потока позволяла регулировать температуру. Рабочие режимы анодирования варьировались от 30В до 60В, рабочие температуры – от 25 до 40 °С.

Перед анодированием образцы промывались изопропиловым спиртом в ультразвуковой ванне, затем травились в 10 %-м растворе щёлочи, после чего промывались дистиллированной водой и протирались фильтровальной бумагой. После анодирования образцы тщательно промывались проточной водой, затем дистиллированной.

Наиболее удачные образцы получились при обработке алюминиевой трубы режимом 60В, в течении 20 минут при 24–31 °С.

Площадь анодирования составляла 24,75 см2.

После анодирования промытые образцы высушивались в печи при 200 °С в течение 2 часов, затем обрабатывались в хемосорбционном активаторе под действием ультрафиолета и озона. Данный метод позволяет образовать на поверхности оксидной плёнки большое количество вакантных мест для будущей хемосорбции гидрофобизатора с функциональными группами.

Активированные образцы закупоривались силиконовыми накладками с добавлением незначительного количества фтороксисилана и помещались в печь на 2 часа при 120 °С. Согласно литературе, гидрофобизация из паров лучше всего подходит для металлических образцов.

После гидрофобизации образцы промывались изопропиловым спиртом для удаления избытка гидрофобизатора и высушивались в печи при 150 °С в течении 2 часов.

Исследование образцов

Характеристики смачивания оценивались методом сидячей капли (фотографировалась капля на поверхности образца, по границе раздела из точки трёхфазного контакта определялся угол смачивания), и методом скатывания капли на гониометрической платформе.

Наилучший образец показал контактный угол – 163 градуса, а углы скатывания – порядка 2,7 градусов.

Для изучения теплопроводности мы сравнили скорость нагревания воды внутри трубы через стенку. Температура воды внутри трубы – 25 °, снаружи – 100 °. В результате лучший образец показал снижение на 10–30 % в сравнении с обычной трубой.

Коррозионная стойкость образцов определялась путём сравнения взаимодействия агрессивных растворов с модифицированными и немодифицированными образцами. Немодифицированные образцы быстро подвергаются питтинговой коррозии, тогда как модифицированные образцы остаются без повреждений.

Стойкость к обледенению оценивалась исходя из влияния характеристик смачивания на вероятность кристаллизации и по разнице между силой адгезии льда к трубе, модифицированной и немодифицированной. Супергидрофобные образцы имеют лучшие характеристики смачивания в сравнении с немодифицированными образцами, из-за чего существенно снижается площадь контакта воды с поверхностью, это уменьшает вероятность кристаллизации.

Результаты работы/выводы

По итогу работы были получены супергидрофобные элементы алюминиевых труб, демонстрирующие угол смачивания водой более 150 ° и углами скатывания капель воды ниже 15 °.

Перспективы использования результатов работы

Сама по себе идея создания супергидрофобных труб является новой и в литературе ранее не встречалась, есть перспектива для дальнейшего развития темы.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Детский технопарк «Альтаир» РТУ МИРЭА

Награды/достижения

XXIII Российская научная конференция школьников «Открытие»,

секция «Химия» – 2 место