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随着工业的蓬勃发展，金属材料的应用日渐增多，同时也面对着腐蚀、结垢、结蜡等带来的经济损失及安全隐患。早在2017年，侯保荣院士就指出我国每年金属腐蚀造成的经济损失约为GDP 的3.34%，高达2.1万亿，这还不包括由此引发的对社会和人身安全的危害。根据美国国家腐蚀工程师协会的数据，油气生产行业每年的腐蚀总成本约为13.72 亿美元。金属材料与含有结垢组分（Ca2+、Mg2+、Sr2+、SO42-、CO32-、HCO3-等）的液体接触，一旦温度、压力等热力学条件发生改变，结垢组分的溶解度就会降低进而析出结晶沉淀[CaCO3、SrCO3、BaCO3、CaMg（CO3）2 等]。这类物质附着沉积在金属材料表面会逐渐形成水垢。垢层的形成会导致管道吞吐量降低、膜孔堵塞、换热器能耗增加等。同时，在石油开采和运输过程中，随着温度和压力降低，溶解在原油中的蜡会结晶沉淀形成蜡层，吸附、沉积在油管、套管等设备的内壁中。内壁积蜡会使有效流通面积减小或堵塞，从而增加流动阻力和泵负荷，影响抽油杆等设备的使用寿命。这不仅会降低工作效率，而且还会损坏运行设备，造成巨大的经济损失。

为了应对金属腐蚀、结垢、结蜡问题，研究者广泛采用物理去除、化学抑制和表面处理等方法。然而，由于物理去除会造成停产和化学药剂带来污染的固有缺陷，已无法满足严苛工况、环境和连续生产的要求。受自然界一些特殊现象的启发，开发超疏防腐、阻垢、防蜡界面材料，似乎是克服这些问题的理想策略。

在管道内壁涂敷一种或多种超疏涂层，可以抑制和消除腐蚀、结垢、结蜡的影响。特别是超疏涂层不仅制备简单、应用广泛，而且可以保持长期高效、稳定的效果，具有广阔的应用前景。本文首先简要概述了超疏涂层的构建及作用机制，系统地介绍了近年来超疏涂层在防腐、阻垢、防蜡方面的研究进展。最后，提出了超疏界面材料面临的挑战和发展前景，为未来新型超疏涂层的设计提供新思路。

1. 超疏涂层的构建及作用原理

超疏涂层的构建主要基于表面微观结构设计与化学修饰的协同作用。在微观结构层面，通过仿生学原理构建微纳米复合粗糙表面，这种多级结构可有效截留空气层，形成气-液界面屏障。化学修饰方面，采用低表面能物质如氟硅烷、全氟聚醚等对粗糙表面进行改性，通过化学键合降低表面自由能，使液体接触时呈现高接触角特性。其作用原理遵循Cassie-Baxter润湿理论，当涂层表面的粗糙结构尺度小于液体毛细长度时，液体无法完全浸润表面凹槽，形成固-液-气三相复合接触状态。这种复合显著增大了表观接触角（通常>150°），同时降低接触角滞后（<10°），赋予涂层防腐、阻垢和防蜡等功能，同时通过增强结构耐久性和化学稳定性拓展了在能源、环保及生物医学等领域的应用。对于超疏油涂层，还需通过分子设计使表面能低于油相的铺展临界值，通常需要引入含氟链段构筑更致密的分子屏障。

2. 超疏涂层在防腐阻垢防蜡领域研究进展

2. 1 超疏涂层在防腐领域研究进展

油气管道腐蚀是制约行业安全发展的关键难题，其成因具有多维复杂性。内部腐蚀源于硫化氢、二氧化碳、水、微生物等组分，高温高压下诱发电化学腐蚀。外部环境侵蚀呈现土壤-杂散电流-微生物多因子耦合特征。特殊部位如长输管道焊缝易形成腐蚀薄弱区，海底管道更面临海水侵蚀、生物附着与冲刷腐蚀的复合腐蚀。超疏涂层技术通过构建微纳结构形成气垫屏障，有效阻隔腐蚀介质与金属基体接触，在抑制电化学腐蚀、微生物附着及液体渗透方面展现出显著优势，为管道全生命周期防护提供了解决方案。

Zhao等研究表明Ni-P涂层能承受CO2、高盐度介质等的腐蚀，同时可防止电解液渗透，有助于防止结垢。尽管单一涂层能够减缓金属表面的腐蚀速率，但效果欠佳，而二维纳米材料具有大的径厚比和优异的物理阻隔性能，能够有效改善涂层长期防腐性能。刘刚等在炔基化氧化石墨烯（AGO）表面接枝共价键，并引入到环氧树脂（EP）中，制备了超疏水FAGO/EP 涂层，其电流密度（8.872×10-9 A/cm2）相较于碳钢降低约3个数量级。Pei等将两亲性二维片状二氧化硅（JNS）填料引入到水性环氧树脂（WEP）中，制备了新型多重协同长效超疏水JNS/WEP防腐涂层，经过130 d 3.5%NaCl溶液浸泡，JNS/WEP涂层的低频阻抗模值（|Z|0.01 Hz）仍保持在1010 Ω·cm2以上，比WEP涂层高2个数量级。二维材料提高了涂层的长期耐腐蚀性，却未能很好地解决涂层稳定性问题。研究人员发现纳米颗粒能够增加涂层的机械强度，从而提高涂层的稳定性。Zhang等以纳米氧化铝、有机硅烷（POS）和EP为原料在Q235碳钢表面喷涂制备POS@Al2O3@EP超双疏防腐涂层。电化学测试表明腐蚀电位正移590 mV，腐蚀电流密度降低4个数量级，低频阻抗模值提高7个数量级，电荷转移电阻增加8个数量级。同时，涂层还表现出自清洁、防结冰、耐盐雾等性能，有望应用于海洋和工业生产中。Meng等将二甲基十八烷基[3-（三甲氧基硅基）丙基]氯化铵（QAS）与SiO2纳米颗粒水解缩合，并与交联氟硅聚丙烯酸酯聚氨酯杂化乳液（CFSAU-8）共混，得到具有防腐抗菌性能的超疏水QAS@SiO2/CFSAU 涂层。在5 d的腐蚀测试中，3% QAS@SiO2/CFSAU涂层表现出最低的吸水率，良好的力学性能，优异的抗菌、防污和防腐性能，使其在长期海事保护领域具有很大的应用潜力。

金属腐蚀大多是金属与电解质溶液接触形成微电池导致的。超疏涂层的微/纳米有序表面粗糙度可以捕获空气，阻碍电子和离子在金属基材和电解质之间的转移。此外，所产生的拉普拉斯压力限制电解质或腐蚀离子进入基体，或使腐蚀离子与金属表面的相互作用最小化，从而抑制腐蚀或提高基体的耐腐蚀性。超疏防腐涂层作为一种防腐方法，其应用前景和市场潜力巨大。然而面对复杂的腐蚀环境，如何保证其长效稳定的耐腐蚀性和耐磨性，提高涂层与基材的结合强度，降低成本等方面仍然存在一些难度。

2. 2 超疏涂层在阻垢领域研究进展

管道结垢使集输管线缩径、流体流动阻力增加，严重时会造成管道堵塞，对油田生产造成极大的危害；换热器和锅炉结垢严重降低传热效率，增加能耗和运行成本。常用的阻垢技术主要分为：电磁、化学药剂及功能涂层等技术，传统阻垢技术普遍存在除垢效率低、能耗高、环境污染以及作用距离有限等问题。超疏涂层阻垢技术通过在基材表面涂覆涂层将结垢环境与基材隔离，增加垢质在基材表面的附着难度，以达到阻垢的目的。

Zuo等采用化学气相沉积法在不锈钢管内外制备超疏水h-BN涂层，原始管运行7 d即出现明显水垢，14 d后有效内径和横截面积分别减少17.2% 和31.3%；而h-BN涂层管仅出口处存在有机物轻微污染，全程无结垢形成。h-BN的抗结垢机制源于其原子级光滑表面、B—N极性键导致的表面能量褶皱，以及与水分子匹配的晶格常数，这些特性促使表面形成致密水膜，有效阻隔矿物离子及晶体的附着生长。中科院理化所王树涛、孟靖昕团队基于潜水蜘蛛补气仿生策略，以氟化硼乙醚（BFEE）和二乙烯基苯（DVB）为前驱体，构建了超疏水纳米纤维涂层（WSN）。该涂层经30 d动态结垢测试后对CaCO3的阻垢效率达98%，且可适配聚氯乙烯（PVC）、金属（Al、Cu、SS）等多种基材，对CaCO3、MgCO3、CaSO4 及BaSO4 等无机垢均表现出普适性抗垢能力。其疏垢机制源于双重协同效应：纳米纤维拓扑结构抑制晶体界面成核，超疏水特性降低水垢界面黏附能。天津大学汪怀远团队在超疏阻垢涂层方面做了大量研究，比如针对超疏水涂层耐久性不足，引入氟碳树脂PVDF 和FEVE 制备PVDF/FEVE/GO@TiO2 超双疏涂层，可以将方解石CaCO3转化为文石CaCO3，1 000次磨损后依然保持微纳多级结构，疏液性基本维持不变。通过FEVE、PVDF、羟基化碳纳米管（H-CNTs）和二氧化钛晶须（W-TiO2）的结合，合成了环保型水性超疏水/超亲油FEVE/PVDF/W-TiO2/H-CNTs 涂层。非全氟化合物的亲油性和W-TiO2/H-CNTs组成的网络结构，使涂层在高盐度油水乳液中表现出优异的耐腐蚀和抗结垢性能，可以将脆弱的气膜转变为稳定的油膜，以阻止结垢和腐蚀介质。针对涂层表面微结构修复能力不足，引入聚苯硫醚（PPS）、可膨胀石墨（EAG）和弹性氟橡胶（FKM），构建可修复微观结构的超耐用PPS/FKM/EG@SiO2 复合涂层，油水乳液中浸泡7 d，涂层表面无明显结垢，并保持超疏水性。2 000个摩擦循环后，其微结构可在200 ℃修复，恢复其超疏水性。同时，PPS/FKM/EG@SiO2涂层还具有良好的自润滑和自洁防污性能。

超疏涂层的阻垢能力主要取决于连续致密膜层阻隔成垢离子与基体接触，高化学惰性/低表面能抑制垢质附着，表面微结构诱导垢晶畸变并促其脱落。超疏液阻垢涂层虽然取得了一些进展，但是面对复杂的结垢环境，尤其结垢介质种类和浓度变化大的油气环境，涂层耐久性欠佳，机械磨损、化学腐蚀、高温环境易使其性能衰退；对复杂垢质阻垢效果有限，长期使用阻垢性能难维持。

2. 3 超疏涂层在防蜡领域研究进展

含蜡原油输送过程中蜡沉积会减少管道有效输送面积，造成管道堵塞，甚至发生安全事故。长期以来，学者开发了许多防蜡方法，如声波防蜡、强磁防蜡、微生物防蜡、涂层防蜡以及添加防蜡剂等。在众多防蜡技术中，通过在管道内壁进行涂料作业，改变油管表面性质，具有效果好、成本低和环境友好等优势，从而受到广泛关注。

Zhang等首次测试了聚偏氟乙烯、聚氨酯、硫化硅橡胶和丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物等8种聚合物低表面能涂层的防蜡效果，其中氟化聚合物涂层与低表面能硫化硅橡胶展现出显著的防蜡特性，硫化硅橡胶防蜡效率高达74.7%。然而，由于缺乏微/纳米分级结构，单一的聚合物涂层防原油黏附能力较弱，这也导致其防蜡沉积应用受到极大限制。Wang等制备了可降解的糯米/壳聚糖-植酸水下超疏油GR/CS-PA复合涂层。GR作为黏合剂，可以增强CSPA的柔韧性。CS-PA组分可用于保水，防止原油黏附，增强防蜡层的力学性能。GR/CS-PA涂层表面的水化层可防止原油和污染物接触，保持防蜡沉积性能。随后，Tan等采用简单的超声和棒涂法制备了一种具有粗糙纳米级突起和皱褶形态的植酸功能化氧化石墨烯涂层（GO-PA）。超亲水GO-PA涂层诱导表面形成水化层，从而在含水蜡质油体系中表现出水下超疏油特性。优化后的GO-PA涂层管道输送测试中，油流速度和防蜡沉积率分别提高了89.5%和95.8%。但是，超亲水/水下超疏油涂层强度比较脆弱易被腐蚀，且无法满足实际集输过程中的油水混输。超双疏涂层同时具备超疏水与超疏油特性，显著降低蜡晶与管道、设备表面的黏附力，使得该表面在防蜡沉积、降低原油黏附和油水混输集输等领域具有应用潜力。Wu等混合聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）、EP和氟化的二氧化硅（F-SiO2）制备了PVDF-HFP/F-SiO2超双疏涂层。在各基材表面浸涂后，表现出了优异的原油输送性能和抗流阻性能，使其在输油管道工程中具有良好的应用前景。此外，室内贮存约3 个月后，超双疏PVDF-HFP/FSiO2涂层的接触角和滚动角几乎没有变化。在此基础上，天津大学汪怀远教授团队基于仿生策略，以涂层表界面强化和微/纳米结构设计为关键手段，将SiO2纳米颗粒加载到中空玻璃微球（HGM）表面进行氟化改性制备微/纳米级F-HGM@SiO2 填料，和FSiO2同时引入到PVDF中，得到具有稳定气膜的抗原油黏附PVDF/F-HGM@SiO2/F-SiO2 超双疏涂层。与碳钢相比，所制备的涂层的防蜡沉积率达到了82.76%。团队还利用顺序喷涂策略，将高度氟化的纳米黏土坡缕石@二氧化硅（Pal@SiO2-F）功能粒子整合到聚醚砜树脂（PES）和PVDF-HFP体系中，形成独特的微纳结构，开发抗原油黏附和防蜡沉积性能优异的P-P/Pal@SiO2-F超双疏涂层。涂层表面稳定的气膜使其在原油中进行2 000次浸入-提出循环和30 d浸泡后几乎无污染，仍保持超高疏油性。与碳钢相比，P-P/Pal@SiO2-F超双疏涂层的原油输送能力增加约2倍，防蜡沉积率高达90.9%。

超疏防蜡涂层防蜡机理主要包括表面气膜隔离减少蜡晶附着位点；超双疏特性抑制蜡质沉积；隔热效应延缓蜡析出。油田超疏液防蜡涂层优势明显，其超疏液特性可显著降低蜡沉积量，减少清蜡频次，保障油流顺畅，提高开采效率。然而，它也存在不足，一方面，涂层耐久性欠佳，在井下复杂环境易受冲刷磨损；另一方面，高温时稳定性变差，微观结构易破坏，影响防蜡效果；再者，与油管材质的结合力不够强，在长期使用或温度变化时，涂层易从管壁脱离，无法持续发挥防蜡功效。

3. 结 语

超疏涂层凭借特殊的表面微纳结构和较低的表面能，具有优异的疏液性能，在金属防腐、阻垢和防蜡领域具备较好的应用前景。但是面对复杂的油气环境，防护持久性、涂层与基底结合力、制备成本、环境适应性等方面依旧存在挑战，仍需开展进一步深入研究。

（1）优化表面性质。研究表面能与腐蚀介质、垢晶、蜡晶附着力之间的定量关系，精准调控表面能；改善涂层表面的粗糙度和微观结构，设计具有特殊纹理结构或纳米凸起的表面，抑制腐蚀介质、垢晶、蜡晶在金属表面沉积。

（2）增强防护长效性。研究涂层与基材的结合机制，采用合适的表面处理方法和黏合剂，提高涂层的附着力；探究涂层的自修复技术，引入具有自修复功能的微胶囊或纳米颗粒，当涂层出现微小损伤时，这些物质能释放并主动修复损伤部位，延长涂层的使用寿命；研究微观结构重建技术，精准调控微纳米结构或者形状记忆聚合物，重塑表面粗糙度，恢复超疏性能。

（3）优化涂层组分。与脆性材料相比，弹性材料如聚二甲基硅氧烷、弹性氟橡胶、聚氨酯等具有高断裂伸长率和回弹性，能承受更大的机械损伤。在超疏涂层中引入弹性材料不仅可以增加涂层的机械稳定性，同时还可以增强涂层与基材的附着力。