CN101857770B - 用于输送地热水金属管的疏水涂层材料及其一步成膜制疏水涂层的方法 - Google Patents
用于输送地热水金属管的疏水涂层材料及其一步成膜制疏水涂层的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于输送地热水金属管的疏水涂层材料及其一步成膜制疏水涂层的方法，该用于输送地热水金属管的疏水涂层材料是由100ml的乙醇中加入5g～10g的聚苯硫醚粉末、7.5ml～30ml水性含氟乳液、0.3g～3g的无机填料、0.005g～0.02g的缓蚀剂、0.1g～0.7g的分散剂和0.01g～0.02g的乳化剂组成。该方法首先将溶剂、分散剂、乳化剂和缓蚀剂搅拌混合，再加入聚苯硫醚粉末、无机填料和水性含氟乳液，继续搅拌均匀制得疏水涂层乳液；然后将涂层乳液刷涂在经除油前处理的金属管表面，最后经热处理在金属管表面形成疏水涂层，水滴在疏水涂层表面的静态接触角为100°～150°，滚动角小于10°。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用在地热水环境下的金属管上用的涂层材料，更特别地说，是指一种采用一步成膜方式将涂层材料制备在金属管内表面，从而使带有涂层的金属管在输送地热水时具有耐腐蚀、防结垢。
背景技术
自然界中许多动植物表面本身具有疏水性能，如荷叶表面，蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀，水鸟的羽毛等。由于疏水性涂层具有许多独特的表面性能，如疏水性、防污性、自清洁、低摩擦系数等，这些特点使其在很多领域具有很大应用价值。
一般来说，疏水性表面可以通过两种途径来制备：一种是在疏水材料表面改变材料表面的粗糙度和表面形态；另一种是在具有一定粗糙度的表面上修饰低表面能的物质。目前疏水涂层的制备方法主要有可升华物质微粒成孔法，化学气相沉积法，等离子体处理法，溶胶—凝胶法，相分离技术等，但是其中一些方法并不适用于大面积零部件的疏水表面及防腐蚀涂层的制备，而且这些方法也还存在涂层与基材的耐腐蚀、防结垢、结合力、疏水持久性差，制备工艺复杂等不足。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够作用在输送地热水金属管表面的疏水涂层材料，该疏水涂层材料是由100ml的乙醇中加入5g～10g的聚苯硫醚粉末、7.5ml～30ml水性含氟乳液、0.3g～3g的无机填料、0.005g～0.02g的缓蚀剂、0.1g～0.7g的分散剂和0.01g～0.02g的乳化剂组成。含有疏水涂层的金属管在输送地热水时，具有耐腐蚀、防结垢的效果。
本发明的目的之二是提出一种采用一步成膜方式将疏水涂层材料制备在金属管内表面上。
本发明是一种适用于金属管表面一步成膜制备防腐蚀、防结垢疏水涂层的方法，该方法包括以下步骤：
(A)涂层乳液的制备：
先将溶剂、分散剂、缓蚀剂和乳化剂搅拌混合，然后加入聚苯硫醚粉末、无机填料和水性含氟乳液，继续搅拌均匀，制得疏水涂层乳液；
用量：100ml的溶剂中加入5g～10g的聚苯硫醚粉末、7.5ml～30ml水性含氟乳液、0.3g～3g的无机填料、0.005g～0.02g的缓蚀剂、0.1g～0.7g的分散剂和0.01g～0.02g的乳化剂组成；
所述溶剂是质量百分比浓度为50％～95％的乙醇；
所述聚苯硫醚粉末的粒径为800目～1000目；
所述水性含氟乳液为聚偏氟乙烯乳液、聚全氟乙丙烯乳液中的一种；
所述无机填料为纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、石墨、滑石粉中的一种；
所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇中的一种；
所述缓蚀剂为六次甲基四胺、苯骈三氮唑中的一种。
所述乳化剂为平平加、吐温60中的一种；
(B)金属管表面涂膜：
将金属管顺次进行碱液除油→水洗→打磨→水洗→吹干的处理后，得到待刷涂用金属管，待用；
然后采用刷涂工艺将涂层乳液在20℃～40℃温度下、制备在待刷涂用金属管表面上形成50μm～150μm涂层；
所述碱液除油是将金属管浸入80℃～100℃温度的碳酸钠溶液中，处理10min～20min；碳酸钠溶液的质量百分比浓度为15～30％；
(C)涂层的热处理过程：
将制备有涂层的金属管置于烘箱中，以第一升温速率5℃～10℃/min升温至60℃～80℃，并在60℃～80℃温度下保温5～10min；然后以第二升温速率5℃～10℃/min升温至320℃～340℃，并在320℃～340℃温度下保温8～10min后，取出；置入20℃～30℃的冷水中淬火即制得具有防腐蚀、防结垢疏水涂层。
本发明疏水涂层材料的优点：
①采用本发明的方法，工艺简单，一步成膜，重复性好，所用原料易得，成本不高。
②通过本发明制备得耐腐蚀防结垢疏水涂层，与基材的结合力优异，表面水接触角为100°～150°，滚动角小于10°，疏水性久，耐腐蚀防结垢性能优良。
③本发明方法制备的疏水涂层适用于热交换器，管道材料等。
附图说明
图1是本发明实施例1中疏水涂层的水接触角测试图。
图2是本发明实施例1中疏水涂层的SEM图。
图3是本发明实施例1中电化学交流阻抗图。
图4是本发明实施例2中疏水涂层的水接触角测试图。
图5是本发明实施例2中电化学交流阻抗图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种适用于金属管表面一步成膜制备防腐蚀、防结垢疏水涂层的方法，该方法包括以下步骤：
(A)涂层乳液的制备：
先将溶剂、分散剂、缓蚀剂和乳化剂搅拌混合，然后加入聚苯硫醚粉末、无机填料和水性含氟乳液，继续搅拌均匀，制得疏水涂层乳液；
用量：100ml的溶剂中加入5g～10g的聚苯硫醚粉末、7.5ml～30ml水性含氟乳液、0.3g～3g的无机填料、0.005g～0.02g的缓蚀剂、0.1g～0.7g的分散剂和0.01g～0.02g的乳化剂组成；
所述溶剂是质量百分比浓度为50％～95％的乙醇；
所述聚苯硫醚粉末的粒径为800目～1000目；
所述水性含氟乳液为聚偏氟乙烯乳液、聚全氟乙丙烯乳液中的一种；
所述无机填料为纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、石墨、滑石粉中的一种；
所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇中的一种；
所述缓蚀剂为六次甲基四胺、苯骈三氮唑中的一种。
所述乳化剂为平平加、吐温60(江阴天祥塑化制带有限公司生产)中的一种；
(B)金属管表面涂膜：
将金属管顺次进行碱液除油→水洗→打磨→水洗→吹干的处理后，得到待刷涂用金属管，待用；
然后采用刷涂工艺将涂层乳液在20℃～40℃温度下、制备在待刷涂用金属管表面上形成50μm～150μm涂层；
所述碱液除油是将金属管浸入80℃～100℃温度的碳酸钠溶液中，处理10min～20min；碳酸钠溶液的质量百分比浓度为15～30％；
所述打磨是用150#、180#砂纸进行处理；打磨后的金属管表面具有一定的粗糙度，这有利于提高涂层与金属管表面的结合力。
在本发明中，两次对金属管的水洗是用去离子水进行冲洗。而吹干金属管可以是常用的吹风机进行。水洗→打磨→水洗→吹干在对基体的前处理中是一个常用手段。
(C)涂层的热处理过程：
将制备有涂层的金属管置于烘箱中，以第一升温速率5℃～10℃/min升温至60℃～80℃，并在60℃～80℃温度下保温5～10min；然后以第二升温速率5℃～10℃/min升温至320℃～340℃，并在320℃～340℃温度下保温8～10min后，取出；置入20℃～30℃的冷水中淬火即制得具有防腐蚀、防结垢疏水涂层。
实施例1：304不锈钢基材表面一步成膜制备疏水涂层
(A)涂层乳液的制备：
在100ml的质量百分比浓度为95％乙醇(溶剂)中加入0.40g的烷基酚聚氧乙烯醚(分散剂)、0.01g的平平加(乳化剂)和0.01g的六次甲基四胺(缓蚀剂)，搅拌均匀后，加入7.5g的聚苯硫醚粉末(粒径为1000目)，1.5g的纳米二氧化钛(无机填料)和15ml的聚偏氟乙烯乳液，继续搅拌均匀，制得疏水涂层乳液；
(B)不锈钢基材表面涂膜：
将金属管顺次进行碱液除油→水洗→打磨→水洗→吹干的处理后，得到待刷涂用金属管，待用；
然后采用刷涂工艺将涂层乳液在25℃温度下、制备在待刷涂用金属管表面上形成100μm涂层；
所述碱液除油是将金属管浸入100℃温度的碳酸钠溶液中，处理10min；碳酸钠溶液的质量百分比浓度为25％；
所述打磨是用150#、180#砂纸进行处理；打磨后的金属管表面具有一定的粗糙度，这有利于提高涂层与金属管表面的结合力。
(C)涂层的热处理过程
将经步骤(B)处理后的不锈钢基材置于烘箱中，以第一升温速率8℃/min升温至60℃，并在60℃温度下保温10min；然后以第二升温速率5℃/min升温至320℃，并在320℃温度下保温10min后，取出；置入25℃的冷水中淬火即制得具有防腐蚀、防结垢的疏水涂层。
(D)性能检测
用10μL注射器在实施例1制得的疏水涂层表面滴一滴去离子水，采用50mmJXD-2型读数显微镜测量，得到该疏水涂层的接触角为147°，如图1所示，滚动角小于10°。
将实施例1制得的带有疏水涂层的金属管进行切割(沿管长度方向切)，然后将截取的能够观察到疏水涂层向上放置，采用日本HITACHI S-530型扫描电子显微镜(SEM)测量疏水涂层的形貌，其如图2所示，图中疏水涂层为多孔结构。
涂层结合性能：将实施例1制得的带有疏水涂层的金属管在空气中停留1min后，放入150℃烘箱停留4min，反复20次后疏水涂层与基体(金属管内壁)无剥离现象，说明疏水涂层与基材结合力好。
耐腐蚀性能：将实施例1制得的带有疏水涂层的金属管(简称涂层试样)和304不锈钢(基体)分别放入CHI660型电化学工作站中进行耐腐蚀测试；工作站的电解池中装有渤海石油公司1号井地热水(公开在2001年2月第22卷第2期的《腐蚀与防护》)。涂层试样和基体在温度为50℃的渤海石油公司1号井地热水中浸泡10天后，取出分别进行电化学交流阻抗测试，测得的参数形成的关系图如图3所示，从图中能够了解，涂层试样在频率为10-2Hz下的阻抗值为超过105ohm，基体在频率为10-2Hz下的阻抗值为超过5×104ohm；可见涂层试样比基体具有更好的耐腐蚀性能。
防结垢性能：将实施例1制得的带有疏水涂层的金属管(简称涂层试样)在温度为50℃的渤海石油公司1号井地热水中浸泡10天后，取出，烘干，并在放大倍数为50倍的光学显微镜下观察疏水涂层的表面形貌，304不锈钢(基体)作为对比，表1为涂层试样和基体在地热水中10天表面结垢的面积百分比，由此可知涂层试样比基体具有更好的阻垢性能。
表1 不同试样在地热水中表面结垢的面积百分比
| 试样 | 基体 | 涂层试样 |
| 结垢面积百分比(％) | 20.1 | 2.9 |
实施例2：316L不锈钢基材表面一步成膜制备疏水涂层
(A)涂层乳液的制备：
在100ml的质量百分比浓度为50％乙醇(溶剂)中加入0.65g的聚乙二醇(分散剂)、0.015g的吐温60(乳化剂)和0.005g的苯骈三氮唑(缓蚀剂)，搅拌均匀后，加入10g的聚苯硫醚粉末(粒径为1000目)，0.5g的纳米二氧化硅(无机填料)和9ml的聚全氟乙丙烯乳液，继续搅拌均匀，制得疏水涂层乳液；
(B)不锈钢基材表面涂膜：
将金属管顺次进行碱液除油→水洗→打磨→水洗→吹干的处理后，得到待刷涂用金属管，待用；
然后采用刷涂工艺将涂层乳液在20℃温度下、制备在待刷涂用金属管表面上形成50μm涂层；
所述碱液除油是将金属管浸入80℃温度的碳酸钠溶液中，处理20min；碳酸钠溶液的质量百分比浓度为30％；
所述打磨是用150#、180#砂纸进行处理；打磨后的金属管表面具有一定的粗糙度，这有利于提高涂层与金属管表面的结合力。
(C)涂层的热处理过程
将经步骤(B)处理后的不锈钢基材置于烘箱中，以第一升温速率5℃/min升温至80℃，并在80℃温度下保温5min；然后以第二升温速率5℃/min升温至320℃，并在320℃温度下保温5min后，取出；置入30℃的冷水中淬火即制得具有防腐蚀、防结垢的疏水涂层。
(D)性能检测
按照实施例1相同的方式对实施例2制得的带有疏水涂层的金属管进行各项性能检测：
用10μL注射器在实施例1制得的疏水涂层表面滴一滴去离子水，采用50mmJXD-2型读数显微镜测量，得到该疏水涂层的接触角为144°，如图4所示，滚动角小于10°。
涂层结合性能：将涂层在空气中停留1min后，放入150℃烘箱停留4min，反复20次后涂层与基体材料无剥离现象，说明涂层与基材结合力好。
耐腐蚀性能如图5所示：涂层试样在频率为10-2Hz下的阻抗值为超过5×105ohm，基体在频率为10-2Hz下的阻抗值为超过4×104ohm；可见涂层试样比基体具有更好的耐腐蚀性能。
防结垢性能如表2
表2 不同试样在地热水中表面结垢的面积百分比
| 试样 | 基体 | 涂层试样 |
| 结垢面积百分比(％) | 22.5 | 11.1 |
实施例3：316不锈钢基材表面一步成膜制备疏水涂层
(A)涂层乳液的制备：
在100ml的质量百分比浓度为75％乙醇(溶剂)中加入0.20g的烷基酚聚氧乙烯醚(分散剂)、0.02g的平平加(乳化剂)和0.02g的苯骈三氮唑(缓蚀剂)，搅拌均匀后，加入5g的聚苯硫醚粉末(粒径为800目)，3g的石墨(无机填料)和30ml的聚偏氟乙烯乳液，继续搅拌均匀，制得疏水涂层乳液；
在此步骤中，可以将石墨(无机填料)更换为滑石粉或者纳米氧化铝。
(B)不锈钢基材表面涂膜：
将金属管顺次进行碱液除油→水洗→打磨→水洗→吹干的处理后，得到待刷涂用金属管，待用；
然后采用刷涂工艺将涂层乳液在40℃温度下、制备在待刷涂用金属管表面上形成150μm涂层；
所述碱液除油是将金属管浸入90℃温度的碳酸钠溶液中，处理20min；碳酸钠溶液的质量百分比浓度为15％；
所述打磨是用150#、180#砂纸进行处理；打磨后的金属管表面具有一定的粗糙度，这有利于提高涂层与金属管表面的结合力。
(C)涂层的热处理过程
将经步骤(B)处理后的不锈钢基材置于烘箱中，以第一升温速率10℃/min升温至70℃，并在70℃温度下保温5min；然后以第二升温速率10℃/min升温至340℃，并在340℃温度下保温5min后，取出；置入25℃的冷水中淬火即制得具有防腐蚀、防结垢的疏水涂层。
(D)性能检测
按照实施例1相同的方式对实施例3制得的带有疏水涂层的金属管进行各项性能检测：
用10μL注射器在实施例1制得的疏水涂层表面滴一滴去离子水，采用50mmJXD-2型读数显微镜测量，得到该疏水涂层的接触角为147°，滚动角小于10°。
涂层结合性能：将涂层在空气中停留1min后，放入150℃烘箱停留4min，反复20次后涂层与基体材料无剥离现象，说明涂层与基材结合力好。
耐腐蚀性能：涂层试样在频率为10-2Hz下的阻抗值为超过5.8×105ohm，基体在频率为10-2Hz下的阻抗值为超过4.3×104ohm；可见涂层试样比基体具有更好的耐腐蚀性能。
防结垢性能如表3
表3 不同试样在地热水中表面结垢的面积百分比
| 试样 | 基体 | 涂层试样 |
| 结垢面积百分比(％) | 25.0 | 5.3 |
Claims (3)
1.一种用于输送地热水金属管的疏水涂层材料，其特征在于：该疏水涂层材料是由100ml的乙醇中加入5g～10g的聚苯硫醚粉末、7.5ml～30ml水性含氟乳液、0.3g～3g的无机填料、0.005g～0.02g的缓蚀剂、0.1g～0.7g的分散剂和0.01g～0.02g的乳化剂组成；
所述水性含氟乳液为聚偏氟乙烯乳液、聚全氟乙丙烯乳液中的一种；
所述无机填料为纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、石墨、滑石粉中的一种；
所述缓蚀剂为六次甲基四胺、苯骈三氮唑中的一种；
所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇中的一种；
所述乳化剂为平平加、吐温60中的一种。
2.一种采用如权利要求1所述的用于输送地热水金属管的疏水涂层材料进行的一步成膜制疏水涂层的方法，其特征在于有下列步骤：
(A)涂层乳液的制备：
先将溶剂、分散剂、缓蚀剂和乳化剂搅拌混合，然后加入聚苯硫醚粉末、无机填料和水性含氟乳液，继续搅拌均匀，制得疏水涂层乳液；
用量：100ml的溶剂中加入5g～10g的聚苯硫醚粉末、7.5ml～30ml水性含氟乳液、0.3g～3g的无机填料、0.005g～0.02g的缓蚀剂、0.1g～0.7g的分散剂和0.01g～0.02g的乳化剂组成；
所述溶剂是质量百分比浓度为50％～95％的乙醇；
所述聚苯硫醚粉末的粒径为800目～1000目；
所述水性含氟乳液为聚偏氟乙烯乳液、聚全氟乙丙烯乳液中的一种；
所述无机填料为纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、石墨、滑石粉中的一种；
所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇中的一种；
所述缓蚀剂为六次甲基四胺、苯骈三氮唑中的一种；
所述乳化剂为平平加、吐温60中的一种；
(B)金属管表面涂膜：
将金属管顺次进行碱液除油→水洗→打磨→水洗→吹干的处理后，得到待刷涂用金属管，待用；
然后采用刷涂工艺将涂层乳液在20℃～40℃温度下，制备在待刷涂用金属管表面上，来形成50μm～150μm涂层；
所述碱液除油是将金属管浸入80℃～100℃温度的碳酸钠溶液中，处理10min～20min；碳酸钠溶液的质量百分比浓度为15～30％；
所述打磨是用150#、180#砂纸进行处理；打磨后的金属管表面具有一定的粗糙度，这有利于提高涂层与金属管表面的结合力；
(C)涂层的热处理过程：
将制备有涂层的金属管置于烘箱中，以第一升温速率5℃～10℃/min升温至60℃～80℃，并在60℃～80℃温度下保温5～10min；然后以第二升温速率5℃～10℃/min升温至320℃～340℃，并在320℃～340℃温度下保温8～10min后，取出；置入20℃～30℃的冷水中淬火即制得具有防腐蚀、防结垢疏水涂层。
3.根据权利要求2所述的采用用于输送地热水金属管的疏水涂层材料进行的一步成膜制疏水涂层的方法，其特征在于：制得的疏水涂层的接触角为100°～150°，滚动角小于10°。
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