CN101956185A - 一种阻垢铜基换热表面及其制作方法 - Google Patents

一种阻垢铜基换热表面及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜基换热表面，在铜基材料的表面覆盖有Ni-P-PTFE复合镀层。Ni-P-PTFE复合镀层具有良好的导热系数，同时可以降低其表面能，从而达到阻垢的目的。本发明另外还公开了一种铜基换热表面的制作方法。本发明具有的优点是：在铜基材表面镀覆Ni-P-PTFE，利用PTFE表面润湿性差的特性，使水分子不能充分润湿PTFE表面形成附着形成水垢；在保证良好的导热系数的前提下，降低材料的表面能，从而达到阻垢的目的；为了提高紫铜表面的热导率，在化学复合镀的方法，采用含有金属Ni的基础镀液，热导率高；且具有很低的表面能，对成垢晶核的吸附能力较差，同时还对水具有不润湿特性，不利于水垢的沉积与聚集。

Description

一种阻垢铜基换热表面及其制作方法
技术领域
本发明涉及换热材料技术领域，尤其是涉及一种阻垢铜基换热表面及其制作方法。
背景技术
现有的铜材类换热器与高温水进行热交换时，在换热器的内外表面均会沉积一层导热系数低的水垢，将严重影响换热器的换热性能。如热泵热水器中冷凝器浸没在水箱中加热生活用水，热水温度可达到50～95℃。由于水中存在大量Ca2+、Mg2+等金属离子，在受加热与冷却过程的反复进行环境中，会产生化学反应，生成CaCO3、CaSO4、Mg(OH)2、MgSO4、磷酸镁、磷酸钙等沉淀，附在铜管换热表面形成水垢。另外悬浮在水中的固体微粒(如SiO2)，在换热壁面上积聚也会形成的污垢，以及在其它机制形成的胶体粒子沉积物也会沉积在换热器表面。换热器表面的水垢或者污垢将严重影响换热器的导热效率，在大量消耗能源的同时，而换热效果反而变得很差，造成大量能源的损失。因此有必要予以改进。
现有常规的处理水垢方法如下：(1)加热前对水进行软化处理，但需增设一个软化水的水处理设备，且时效性较差；(2)在管壁上涂覆憎水涂层，然而憎水涂层将会增大管壁的导热热阻，影响换热效果。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供在保证铜材料具有良好的导热系数的前提下，降低其表面能，从而达到阻垢的目的的一种阻垢铜基换热表面。
本发明的另一目的是提供一种热导率高，且具有很低的表面能，对成垢晶核的吸附能力较差，同时还对水具有不润湿特性，不利于水垢的沉积与聚集的阻垢铜基换热表面的制作方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种阻垢铜基换热表面，在铜基材料的表面覆盖有Ni-P-PTFE复合镀层。Ni-P-PTFE复合镀层具有良好的导热系数，同时可以降低其表面能，从而达到阻垢的目的。
所述的Ni-P-PTFE复合镀层的厚度在2～20微米之间。
阻垢铜基换热表面的制作方法，其步骤包括：
(1)、先对铜基材表面进行前处理；
(2)、对铜基材表面进行化学镀Ni-P-PTFE复合镀层；
(3)、对化学镀后的铜基材表面进行后处理。
所述的(2)步骤中铜基材进行化学镀Ni-P-PTFE复合镀层的镀液包括如下组份：
硫酸镍                        15～35g/L；
次亚磷酸钠                    20～45g/L；
柠檬酸钠                      4～12g/L；
乳酸                          8～25ml/L；
醋酸钠                        8～25g/L；
阳离子表面活性剂              0.3～0.8g/L；
浓度为60wt％的PTFE            6～18ml/L。
在进行化学镀Ni-P-PTFE复合镀层时，镀液的PH值维持在4.8，施镀温度为80～90℃、搅拌速度600～700r/min，施镀时间在5～60分钟内。
所述的(1)步骤中的前处理的步骤如下：
a、对铜基材表面进行打磨；可以采用400、600、800和1000目水砂纸依次打磨。
b、水洗；
c、除油；
d、水洗；
e、活化；
f、水洗
所述的除油可以在碱洗除油液中进行。所述的碱洗除油液包含以下组份：Na2CO335～45g/L，Na3PO4·12H2O 15～30g/L，NaOH 5g/L。除油的操作条件为：70～80℃条件下浸洗8～15min。
所述的活化中的活化溶液的中包含以下组份：38％盐酸20ml/L，柠檬酸2g/L和氯化钯1g/L。活化的操作时间为70～80s。
所述的以上水洗均为在空气搅拌下的DI水洗。
所述的后处理步骤可以是先水洗，然后烘干。
本发明和现有技术相比所具有的优点是：利用化学复合镀的方法，在紫铜等铜基材的表面镀覆Ni-P-PTFE复合镀层，利用Ni-P-PTFE复合镀层表面润湿性差的特性，使水分子不能充分润湿Ni-P-PTFE复合镀层形成附着形成水垢；在保证良好的导热系数的前提下，降低材料的表面能，从而达到阻垢的目的。为了提高紫铜表面的热导率，在化学复合镀中采用含有金属Ni的基础镀液，PTFE粒子作为不溶性固体颗粒分散到镀层中，基质金属Ni与PTFE固体颗粒之间基本上不发生相互作用，且与铜材基体的结合力较大，形成Ni-P-PTFE复合镀层。Ni-P-PTFE复合镀层是金属基的，热导率高，保证了换热效果；且具有很低的表面能，憎水性较好，对成垢晶核的吸附能力较差，同时还对水具有不润湿特性，不利于水垢的沉积与聚集。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
一种阻垢铜基换热表面，在用于换热的铜基材料的表面覆盖有镍磷-聚四氟乙烯复合镀层(Ni-P-PTFE复合镀层)。利用Ni-P-PTFE复合镀层表面润湿性差的特性，使水分子不能充分润湿铜基材料外的Ni-P-PTFE复合镀层表面形成附着形成水垢；在保证良好的导热系数的前提下，降低材料的表面能，从而达到阻垢的目的。为了提高铜基材料表面的热导率，采用的聚四氟乙烯复合层为Ni-P-PTFE复合镀层。所述的Ni-P-PTFE复合镀层的厚度在2～20微米之间。这样可以在起到良好的热导率的同时，具有更好的阻垢效果。Ni-P-PTFE复合镀层的厚度优选为5～10微米之间。
阻垢铜基换热表面的制作方法，其步骤包括：
(1)、先对铜基材表面进行前处理，处理步骤如下：
a、对铜基材表面进行打磨，可以采用400、600、800和1000目水砂纸依次打磨，这样除锈效果彻底，并且可以得到比较光洁的待镀表面。
b、水洗，去除附着在铜基材表面上的打磨细屑。
c、除油，去除铜基材表面附着的有机油污；除油可以在碱洗除油液中进行。所述的碱洗除油液中包含如下组份：Na2CO335～45g/L，Na3PO4·12H2O15～30g/L，NaOH 5g/L。除油的操作条件为：70～80℃条件下浸洗8～15min。
d、水洗，去除除油后附着的除油液。
e、活化，使铜基材表面具有活化中心，以便于诱发随后的复合镀的产生。活化中活化溶液包含如下组份：38％盐酸20ml/L，柠檬酸2g/L和氯化钯1g/L。活化时间为70～80s。
f、水洗，去除活化液附着。
以上水洗均为在空气搅拌下的DI水洗。
(2)、对铜基材表面进行化学镀Ni-P-PTFE复合镀层；
化学镀Ni-P-PTFE复合镀层的镀液包括如下组分：
硫酸镍                    15～35g/L；
次亚磷酸钠                20～45g/L；
柠檬酸钠                        4～12g/L；
乳酸                            8～25ml/L；
醋酸钠                          8～25g/L；
阳离子表面活性剂                0.3～0.8g/L；
浓度为60wt％的PTFE              6～18ml/L。
实施例1
所述的化学镀Ni-P-PTFE复合镀层的镀液包括如下组分：
硫酸镍                          20～30g/L；
次亚磷酸钠                      25～35g/L；
柠檬酸钠                        6～10g/L；
乳酸                            10～20ml/L；
醋酸钠                          10～20g/L；
阳离子表面活性剂                0.4～0.6g/L；
浓度为60wt％的PTFE              10～14ml/L。
实施例2
所述的化学镀Ni-P-PTFE复合镀层的镀液包括如下组分：
硫酸镍                          15g/L；
次亚磷酸钠                      20g/L；
柠檬酸钠                        4g/L；
乳酸                            8ml/L；
醋酸钠                          8g/L；
阳离子表面活性剂                0.3g/L；
浓度为60wt％的PTFE              6ml/L。
实施例3
所述的化学镀Ni-P-PTFE复合镀层的镀液包括如下组分：
硫酸镍                        35g/L；
次亚磷酸钠                    45g/L；
柠檬酸钠                      12g/L；
乳酸                          25ml/L；
醋酸钠                        25g/L；
阳离子表面活性剂              0.8g/L；
浓度为60wt％的PTFE            18ml/L。
实施例4
所述的化学镀Ni-P-PTFE复合镀层的镀液包括如下组分：
硫酸镍                        25g/L；
次亚磷酸钠                    30g/L；
柠檬酸钠                      8g/L；
乳酸                          15ml/L；
醋酸钠                        15g/L；
阳离子表面活性剂              0.5g/L；
浓度为60wt％的PTFE            10ml/L。
以上所述的阳离子表面活性剂可以是十六烷基三甲基溴化铵。
在进行化学镀Ni-P-PTFE复合镀层时，镀液的PH值维持在4.8，施镀温度为80～90℃，最佳的施镀温度为85℃；搅拌速度600～700r/min，最佳的搅拌速度为650r/min，施镀时间在60分钟内，优选在5～50分钟内。
(3)、对化学读后的铜基材进行后处理。后处理是先水洗，去除镀液残留，然后进行烘干。
本发明所得到的Ni-P-PTFE复合镀层外观呈灰色，孔隙率小。其中镀层中Ni的百分含量为78.80wt％，P含量为10.77wt％，F含量为2.51wt％。与施镀前的铜基材料相比：接触角增加26.5％、表面能降低24.2％、导热系数降低10％。

Claims (7)

1.一种阻垢铜基换热表面，其特征在于：在铜基材料的表面覆盖有Ni-P-PTFE复合镀层。
2.根据权利要求1所述的一种阻垢铜基换热表面，其特征在于：所述的Ni-P-PTFE复合镀层的厚度在2～20微米之间。
3.阻垢铜基换热表面的制作方法，其特征在于，其步骤包括：
(1)、先对铜基材表面进行前处理；
(2)、对铜基材表面进行化学镀Ni-P-PTFE复合镀层；
(3)、对化学镀后的铜基材表面进行后处理；
所述的(2)步骤中铜基材进行化学镀Ni-P-PTFE复合镀层的镀液包括如下组份：
硫酸镍                        15～35g/L；
次亚磷酸钠                    20～45g/L；
柠檬酸钠                      4～12g/L；
乳酸                          8～25ml/L；
醋酸钠                        8～25g/L；
阳离子表面活性剂              0.3～0.8g/L；
浓度为60wt％的PTFE            6～18ml/L；
在进行化学镀Ni-P-PTFE复合镀层时，镀液的PH值维持在4.8，施镀温度为80～90℃、搅拌速度600～700r/min，施镀时间在5～60分钟内。
4.根据权利要求3所述的阻垢铜基换热表面的制作方法，其特征在于：
所述的(1)步骤中的前处理的步骤如下：
a、对铜基材表面进行打磨；可以采用400、600、800和1000目水砂纸依次打磨；
b、水洗；
c、除油；
d、水洗；
e、活化；
f、水洗。
5.根据权利要求4所述的阻垢铜基换热表面的制作方法，其特征在于：所述的除油在碱洗除油液中进行；所述的碱洗除油液包含以下组份：Na2CO335～45g/L，Na3PO4·12H2O  15～30g/L，NaOH  5g/L；除油的操作条件为：70～80℃条件下浸洗8～15min。
6.根据权利要求3所述的阻垢铜基换热表面的制作方法，其特征在于：所述的活化中的活化溶液的中包含以下组份：38％盐酸20ml/L，柠檬酸2g/L和氯化钯1g/L；活化的操作时间为70～80s。
7.根据权利要求3所述的阻垢铜基换热表面的制作方法，其特征在于：所述的水洗均为在空气搅拌下的DI水洗。
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