CN107163845B - 一种抗结垢抗污组合物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗结垢抗污组合物，抗结垢抗污组合物由费托蜡、微晶蜡、碳五石油树脂、聚乙烯蜡中至少三种物质组成，费托蜡的凝固温度在60～130℃，含油量小于5%，微晶蜡的滴熔点70～110℃，含油量小于3%，碳五石油树脂的软化点在70～120℃，聚乙烯蜡软化点90～180℃，其重量组成百分比是费托蜡5%～52%，微晶蜡10%～68%，碳五石油树脂2%～53%，聚乙烯蜡0%～26%。使用本发明的抗结垢抗污组合物，涂覆于金属管道或容器内，不仅具有优异的抗结垢能力和抗污性能，而且涂层厚度小，成本低，具有减阻效应；涂覆于金属材料、金属‑无机非金属复合材料表面，具有良好的防腐蚀效果。

Description

一种抗结垢抗污组合物

技术领域

本发明涉及一种用于抗结垢抗污的组合物，特别涉及一种用于抗无机物结垢抗污的组合物，属于新型材料领域。

背景技术

在油田生产、工业水处理、选矿循环水、选矿污水处理、工业污水处理、工业水循环利用过程中，由于水溶液中含有不同种类的无机离子，在一定条件下，常常会出现结垢问题，常见的如碳酸钙垢、硫酸钙垢，当结垢量少时，会使液体流量减小，管线输送液体能耗增加，结垢严重时甚至堵塞管道，导致直接停产，造成较大的经济损失，当垢层超过一定厚度时，需要清除垢层，反复清除垢层不仅影响正常生产、增加生产成本，也会降低管道、设备的使用寿命。如果能从根本上阻止无机离子结垢，自然可以大大减小由于结垢产生的一系列问题，阻止无机离子结垢的方法可分为物理方法和化学方法，如利用晶种防垢、电场防垢、变频防垢等，这些属于物理方法，这些方法阻垢的效果有限；化学方法主要是添加阻垢剂，阻垢剂是能控制产生水垢和污垢的药剂，主要分两类，一类是分散剂，一般尺度上比胶体颗粒小很多，分子结构上又呈线性结构的物质，最常用的是木质素、单宁、人工合成的丙烯酸共聚物、马来酸酐共聚物等，另一类是螯合剂，分子中含有能与金属离子形成特殊配位键的基团，如羟基、巯基、磺酸基、磷酸基、羧酸基等，其添加量与水溶液中含有金属离子多少有关。添加阻垢剂的优点是使用比较方便，一般添加量不多，但存在的问题需要不断添加，因为不论是分散剂还是螯合剂，与金属离子总是有一定计量比，虽然能够阻止垢的形成，但在溶液中总是生成新的化学物质，最终还是要对添加的阻垢剂与金属离子生成的新物质进行处理，另外一个缺点是不同离子要求添加不同种类的阻垢剂，因而没有一种通用的、能阻止多种离子生成无机垢的阻垢剂，水质不同，阻垢剂的组成也不相同，第三阻垢剂的生产过程仍然是一个具有特定功能化学品的生产过程，仍然存在燃烧、爆炸、污染等安全隐患，第四阻垢剂与离子生成的新物质仍然需要进行处理，仍然存在污染隐患；使用新材料是解决无机物结垢和污垢的有效办法，如使用非极性的聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物等材料，这些材料中，抗结垢效果最好的是聚四氟乙烯，但聚四氟乙烯本身价格昂贵，限制了其大范围使用，超高分子量聚乙烯物理机械性能优异，但加工困难，为降低成本，可以将这些非极性材料与金属材料复合，制成钢衬聚四氟乙烯管道、钢衬聚四氟乙烯容器等，也可以制成钢骨架聚乙烯复合管道或复合容器，钢骨架聚丙烯管道或容器等，但由于金属材料和高分子化合物物理机械性能的差异，加工困难，加之钢塑结合力差，易分层。

制备抗结垢涂料或涂层是防止结垢的方法之一。CN1614282公开了一种高分子粘弹性材料的复合型管道，由外壳和内衬组成，所述外壳为普通钢管或玻璃钢管，所述内衬为高分子粘弹性材料，外壳和内衬粘合为一体。

CN104356826A公开了一种表面自清洁涂料及其制备方法，包括组分：去离子水/酯化合物4～15%，流平剂0.3～2%，消泡剂0.3～0.6%，分散剂0.4～0.6%，纳米矿物填料5～10%，粘结剂30～40%，增塑剂1～3%，颜料膏10～15%，表面活性添加剂1～3%，抗污垢自洁不粘剂1～2%，抗真菌和苔藓、淤泥、藻类形成抑制剂2～4%，固化剂18～28%。CN102906527A公开抗结垢性质的换热器板中包含氧化硅涂层；CN102337049A公开了一种水介质换热设备用防腐蚀抗结垢涂料及其制备方法。该涂料采用纳米钛粉、预处理剂、环氧树脂、丙烯酸、双酚S型环氧树脂或缩水甘油酯类环氧树脂或缩水甘油胺类环氧树脂、有机溶剂、氨基硅油或有机氟试剂、蒸馏水，通过纳米钛粉预处理、环氧树脂改性、涂料制备三个主要工艺步骤制备而成，具有防腐蚀、抗结垢，有效的提高换热器的传热效率和使用寿命等优点。

随着化学工业的发展，生产技术的改进，具有非极性的固体物质种类越来越丰富，除了上述的聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物外，常见的有费托蜡、微晶蜡、石油树脂、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡等。

费托蜡是通过费托合成得到的以正构烷烃为主的固态烃混合物，正构烷烃中碳原子数较多，熔点较高；微晶蜡是由正构烷烃、异构烷烃和环烷烃组成的混和物，与石油蜡相比，异构烃和环烷烃占的比例较大，正构烷烃所占的比例较小，一般来说，微晶蜡中的烷烃分子量较大，烷烃中碳原子分布范围比石蜡宽，氢碳比在1.85左右，微晶蜡硬度小，柔韧性好，在一定温度下受力时倾向于塑性流动，延度大，挠性好，凝胶强度大、粘附性和防护性好。石油树脂是烃类裂解过程中得到的烃类副产物通过聚合反应得到的低聚物，根据副产物碳原子数不同，大致分为碳五石油树脂和碳九石油树脂。聚乙烯蜡是由乙烯经聚合反应得到的低分子量聚合物，也称为低分子聚乙烯。

针对现有的聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯等非极性材料与金属形成复合材料后存在的问题，现有的添加阻垢剂阻止无机垢存在的缺点，结合费托蜡、微晶蜡、石油树脂、聚乙烯蜡的性质，公开了一种抗结垢抗污组合物。

发明内容

为克服现有使用阻垢剂和现有钢塑复合材料抗结垢材料的缺点，解决金属管道或容器内无机物结垢及污物积累的问题，发明人通过如下技术方案解决这一问题：

一种抗结垢抗污组合物由费托蜡、微晶蜡、碳五石油树脂、聚乙烯蜡中至少三种物质组成：

费托蜡的凝固温度在60～130℃，含油量小于5%，

微晶蜡的滴熔点70～110℃，含油量小于3%，

碳五石油树脂的软化点在70～120℃，

聚乙烯蜡软化点90～180℃，

其重量组成百分比是费托蜡5%～52%，微晶蜡10%～68%，碳五石油树脂2%～53%，聚乙烯蜡0%～26%。

作为一种具有抗结垢抗污性能的组合物，尽管微晶蜡、费托蜡、碳五石油树脂、聚乙烯蜡都是非极性物质，但性能各不相同，以涂层的方式使用时，必须按一定比例组合，发挥各自的作用，才能满足使用要求，其比例是通过大量实验获得的。

一种抗结垢抗污组合物，费托蜡的重量百分比优选6%～46%。

一种抗结垢抗污组合物，微晶蜡的重量百分比优选25%～65%。

一种抗结垢抗污组合物，碳五石油树脂的重量百分比优选10%～42%。

一种抗结垢抗污组合物，聚乙烯蜡的重量百分比优选0%～15%。

使用本发明的抗结垢抗污组合物，涂覆于金属管道或容器内、无机非金属材料、金属-无机非金属复合材料管道或容器内，不仅具有优异的抗结垢能力，极性污物不易沉积在涂层上，具有抗污性能，而且涂层厚度小，成本低，组合物用量小，具有减阻效应，能节约输送液体水的动力消耗；涂覆于金属材料、金属-无机非金属复合材料表面，具有良好的防腐蚀效果。

具体实施方式

为进一步理解本发明，首先说明抗结垢抗污组合物涂层性质测试方法。对于具有使用价值的涂层，当然要求抗结垢抗污涂层具有耐温性能，要求在使用温度范围内涂层稳定不脱落，涂层所接触的水溶液中一般会含有表面活性剂，要求测试涂层对含有表面活性剂的水溶液具有耐受性，涂层应具有一定柔韧性以适应使用环境温度变化而不会开裂或产生裂纹，影响使用效果，更关键的是涂层应具有优异的抗结垢抗污性能。

实验所用涂层的涂覆方法是将费托蜡、微晶蜡、石油树脂、聚乙烯蜡中的至少一种物质混合均匀后在140℃时熔融，将挂片或其它试件浸没于熔融物后取出在室温下凝固得到的。

涂层耐水性能测定方法：将涂覆有涂层的金属容器浸没于水中，使涂层与水完全接触，每个温度下保温30分钟，振荡观察不同温度下涂层脱落情况来测定涂层耐水性能。

涂层耐表面活性剂水溶液性能测定方法：耐表面活性剂性能测定程序与涂层耐水性能测试方法相似，但使用的是不同种类不同浓度的表面活性剂水溶液。

涂层柔韧性测定采用漆膜弯曲试验机进行测定，漆膜弯曲试验机符合标准津Q/JD3975-97。漆膜弯曲试验机涂层柔韧性等级分为2、3、4、5、6、8、10mm六个等级，测定结果则通过在4倍放大镜观察在不同直径漆膜弯曲试验机涂层是否产生裂纹，依次从最大直径往最小直径测定，观察到出现裂纹时，则认定涂层的柔韧性等级为使用漆膜弯曲试验机直径。

涂层厚度通过涂层测厚仪进行测定，涂层测厚仪型号TM1200F，上海星宇高科应用技术研究所，测定时涂层测厚仪先经过校准，在涂层不同部位测定10次，取10次测定的平均值。

涂层抗水冲击能力试验：水流速度5米每秒，试验时间10分钟，水流出口与挂片距离20cm，水流方向垂直于挂片最大面积所在平面，利用4倍放大镜观察挂片涂层试验前后的变化，实验在室温下进行。

涂层抗结垢能力试验：抗结垢能力试验分为静态和动态两个实验。

涂层抗结垢能力试验选用的材质为金属材质，主要有碳钢、优质碳素钢、铸铁，尺寸大小是长度50 mm，宽度25 mm，厚度2mm，试片符合HG/T3523-2008标准。

非极性材质抗结垢能力选用聚四氟乙烯板材和聚乙烯板材进行实验，聚四氟乙烯板材和聚乙烯板材购自市场，购买后，直接裁切成与金属材质尺寸相同试件进行试验。

进行金属材质抗结垢能力实验时，分为实验挂片和空白挂片，实验挂片和空白挂片的区别是实验挂片上涂覆抗结垢组合物，空白挂片材质与实验挂片相同，但没有涂层，实验挂片和空白挂片面积最大的一面均呈水平浸没于模拟硫酸钙结垢溶液中，在60℃下敞开容器内进行硫酸钙结垢实验，实验持续时间30小时。

静态实验中挂片单面涂覆抗结垢抗污组合物涂层，抗结垢抗污组合物涂层的一面向上，涂层抗结垢性能通过称重法计算。

动态实验方法是将聚四氟乙烯板材、聚乙烯板材使用外部包裹塑料的金属丝固定在托架上，面积最大的一面水平放置，实验挂片及空白挂片直接放置在托架上，面积最大的一面水平放置，实验挂片外部全部涂覆抗结垢抗污组合物涂层，空白挂片则为相应材质的金属，托架及挂片均全部浸没在模拟硫酸钙结垢溶液中，通过机械搅拌器搅动模拟硫酸钙结垢溶液，模拟硫酸钙结垢溶液温度为60℃，试验时间为30小时，试验在敞开容器中进行，试验结束后通过称重法计算硫酸钙沉积量，试验容器直径300毫米，搅拌浆叶长度80毫米，搅拌速度320转每分钟，搅拌浆叶水平面与挂片水平面距离15毫米。

模拟硫酸钙结垢溶液由0.06mol/L的硫酸钠水溶液和0.06mol/L的氯化钙水溶液等体积混合得到。

试验前后挂片的重量都是40℃下真空干燥、恒重后使用电子分析天平称量得到的。

涂层抗结垢能力用对比减少率表示，其计算方法是通过称量实验前后挂片的增重，以实验挂片增重与空白挂片增重之差与空白挂片增重之比的百分数来计算涂层抗结垢能力。其计算公式是

对比减少率

: 实验挂片增重；: 空白挂片增重。

实验使用的原料及性质分别是费托蜡由内蒙古伊泰集团生产，其凝固温度是90.5℃，含油量3.75%（质量比），80号微晶蜡由中石化生产，滴熔点78-82℃，含油量小于3%（质量比），碳五石油树脂由武汉鲁华粤达化工有限公司生产，型号为PFR-90，聚乙烯蜡由Mitsuichemicals生产，软化点110℃。

当涂层仅由费托蜡、微晶蜡按等质量百分比组成时，不同温度下其抗表面活性剂水溶液的试验结果列于表1。

表1涂层抗表面活性剂水溶液性能测定结果

由费托蜡、微晶蜡及碳五石油树脂等质量混合组成形成涂层，涂层抗表面活性剂水溶液性能的测定结果列于表2。

表2涂层抗表面活性剂水溶液性能测定

表2中工业循环水离子组成(离子浓度单位是mg/L)是

为简洁计，以下部分所用符号意义分别是FTW表示费托蜡，MW表示微晶蜡，C5表示碳五石油树脂，PEW表示聚乙烯蜡。

实施例及对比例中涂层抗表面活性剂溶液水溶液性能测试结果与表2相同。

实施例及对比例中涂层抗水冲击能力试验前后没有发现涂层表面出现裂纹或脱落。

涂层柔韧性测定结果列于表3。

表3涂层柔韧性测定结果

涂层厚度实际测定数据列于表4

表4 涂层厚度测定结果

试样名称	涂层组成	厚度（μm）
			实施例1	FTW:MW:C5=0.1:0.6:0.3	31
实施例2	FTW:MW:C5=0.2:0.5:0.3	103
			实施例3	FTW:MW:C5=0.3:0.4:0.3	64
实施例4	FTW:MW:C5=0.4:0.3:0.3	58
			实施例5	FTW:MW:C5=0.25:0.60:0.15	77
实施例6	FTW:MW:C5:PEW=0.20:0.58:0.16:0.06	81
			对比例7	MW:C5=0.7:0.3	194

以下动态抗结垢能力测定试验中的初重是指挂片实验前的重量，终重是指抗结垢能力实验结束后挂片的重量，二者都是在40℃真空干燥箱中干燥恒重后的重量。

实施例1和对比例1：FTW:MW:C5=0.1:0.6:0.3，优质碳素钢挂片抗结垢试验结果。

实施例2和对比例2：FTW:MW:C5=0.2:0.5:0.3，铸铁挂片抗结垢试验结果。

实施例3和对比例3：FTW:MW:C5=0.3:0.4:0.3碳钢抗结垢试验结果。

实施例4和对比例4：FTW:MW:C5=0.4:0.3:0.3碳钢抗结垢试验结果。

实施例5和对比例5：FTW:MW:C5=0.25:0.60:0.15碳钢抗结垢试验结果。

实施例6和对比例6：FTW:MW:C5:PEW=0.20:0.58:0.16:0.06碳钢抗结垢试验结果。

对比例7（MW:C5=0.7:0.3）碳钢抗结垢能力试验结果。

聚乙烯板材或聚四氟乙烯板材的增重率是指聚乙烯板材或聚四氟乙烯板材终重与初重之差与聚乙烯板材或聚四氟乙烯板材初重之百分比。

实验中还观察到，当挂片表面没有涂覆组合物时，挂片腐蚀严重，挂片面积最大的两个面中仅有一面涂覆组合物时，则无涂层的一面腐蚀，涂覆组合物的一面没有观察到金属腐蚀，当挂片表面全部涂覆组合物时，则观察不到金属腐蚀现象。

当抗结垢抗污试验结束后，清洗涂覆有组合物涂层的挂片时，使用90℃含有表面活性剂溶液的热水，使用钢丝刷辅助清洗时，挂片上仍然牢固附着有组合物涂层。

Claims (5)

1.一种抗结垢抗污组合物，其特征在于由费托蜡、微晶蜡、碳五石油树脂、聚乙烯蜡中至少三种物质组成：

费托蜡的凝固温度在60～130℃，含油量小于5%，

微晶蜡的滴熔点70～110℃，含油量小于3%，

碳五石油树脂的软化点在70～120℃，

聚乙烯蜡软化点90～180℃，

其重量组成百分比是费托蜡5%～52%，微晶蜡10%～68%，碳五石油树脂2%～53%，聚乙烯蜡0%～26%。

2.根据权利要求1所述的一种抗结垢抗污组合物，其特征在于费托蜡的重量百分比优选6%～46%。

3.根据权利要求1所述的一种抗结垢抗污组合物，其特征在于微晶蜡的重量百分比优选25%～65%。

4.根据权利要求1所述的一种抗结垢抗污组合物，其特征在于碳五石油树脂的重量百分比优选10%～42%。

5.根据权利要求1所述的一种抗结垢抗污组合物，其特征在于聚乙烯蜡的重量百分比优选0%～15%。