CN108384442A - 一种用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层及其制备方法,所述防腐阻垢涂层涂覆在溶出设备表面基体上,所述防腐阻垢涂层结构从下往上依次包括聚苯硫醚层和聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层;所述聚苯硫醚层涂覆作为过渡层,所述聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层作为工作面层。本发明综合考虑了聚苯硫醚良好的金属附着性以及聚四氟乙烯突出的不粘性,采用分层涂覆工艺制备出一种结合强度高,表面疏水性好,阻垢性能好,且耐高温、耐腐蚀的复合涂层,能够满足氧化铝生产中溶出设备的防护,对于工业生产具有实用价值,可进行规模化地生产。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面工程技术领域,特别涉及一种用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层及其制备方法。
背景技术
氧化铝常用的生产方法是“拜尔法”,即在苛性钠(NaOH)溶液在高温下溶出铝土矿中的氧化铝,得到铝酸钠溶液。溶液与残渣(赤泥)分离后,降低温度,加入氢氧化铝作晶种,搅拌,铝酸钠分解析出氢氧化铝,洗净,并在950~1200℃下煅烧,得到纯净氧化铝。
我国生产氧化铝的原料主要是水硬铝石型铝土矿,主要特点是难溶,需要在高温(260~280℃)和高碱的条件下强化溶出。加上铝土矿中的杂质如硅、铁等矿物,也在溶出过程中溶解进入溶液,所以在高温、高碱的条件下容易在管道内壁上形成盐类有害结垢,影响管道热交换系数,从而影响生产效率。
常用的防垢方法有机械搅拌、添加化学试剂、应用防护涂层等方法。机械搅拌法操作简单,但会延缓生产过程,而且由于不断增大的冲击力会磨损管道内壁,给氧化铝生产带来负面影响;生产过程中添加分散剂虽然具有明显的阻垢作用,但因试剂中含硅,而硅会与强碱在高温下发生化学反应,形成难以去除的铝硅结垢,加重了结垢的危害。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层及其制备方法。
本发明的技术方案为:一种用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层,所述防腐阻垢涂层涂覆在溶出设备表面基体上,所述防腐阻垢涂层结构从下往上依次包括聚苯硫醚层和聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层;所述聚苯硫醚层涂覆作为过渡层,所述聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层作为工作面层。
优选地,所述聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层中的聚四氟乙烯和聚苯硫醚的质量比为2:3。
一种用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层的制备方法,包括以下步骤:
(1)基体预处理;对基体表面分别进行喷砂和除油处理后,再进行水洗及烘干;
(2)制备聚苯硫醚分散液;称量40~50g聚苯硫醚粉末,量取分散剂一200~300mL和质量分数为0.5~2%助剂一,所述分散剂一为无水乙醇、去离子水和N,N-二甲乙酰胺的混合液,无水乙醇、去离子水和N,N-二甲乙酰胺的体积比为1:1:1,将聚苯硫醚粉末、分散剂一和助剂进行搅拌混合均匀制得聚苯硫醚分散液;
(3)制备聚四氟乙烯/聚苯硫醚分散液;称量30~40g聚四氟乙烯粉末,20~30g聚苯硫醚粉末;量取分散剂二200~300mL和质量分数为0.5~2%助剂二,所述分散剂二为异丙酮、无水乙醇和N,N-二甲乙酰胺的混合液,异丙酮、去离子水和N,N-二甲乙酰胺的体积比为5:3:2,将聚苯硫醚粉末、分散剂二和助剂进行搅拌混合均匀聚四氟乙烯/聚苯硫醚分散液;
(4)分层涂覆;先将聚苯硫醚分散液涂覆到基体表面上,通过固化处理形成聚苯硫醚层;再将聚四氟乙烯/聚苯硫醚分散液涂覆到聚苯硫醚层上,通过固化处理形成聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层。
所述步骤(2)和步骤(3)中的助剂包括KH-500硅烷偶联剂、十二烷基硫磺钠表面活性剂、BYK-345流平剂或聚乙烯醇的一种或几种。
所述步骤(4)中的固化处理工艺参数为:保温时间为100~400℃,保温时间为10~30min。
聚苯硫醚(PPS):一种白色或淡黄色粉末,苯环结构体现了其刚性和耐热性,苯环和硫之间的化学键体现其柔韧性,呈热塑性。PPS有良好的热学性能,其长期耐热温度可达240℃,短期耐热达260℃,在430℃的高温下才会发生分解;聚苯硫醚的耐化学腐蚀性能良好,在强碱环境中性能良好,其化学稳定性仅次于聚四氟乙烯;常温下,聚苯硫醚除了浓硫酸、浓硝酸、氧化性酸,不溶于醛、酯、大多数酸、芳香烃、氯代烃等。
聚四氟乙烯(PTFE):聚四氟乙烯的结构简式为-[CF2-CF2-]-n,这种结构赋予了聚四氟乙烯优于其它有机材料的化学稳定性、低内聚能。碳氟分子间作用力极低和C-C、F-F键断裂能高赋予了聚四氟乙烯突出的低表面能和良好的耐高温性能;其摩擦系数相对其它有机材料较小,在改善聚苯硫醚材料的摩擦性能方面表现优异;聚四氟乙烯是目前耐高温性能最佳的工程塑料之一,它的长期工作温度高达260℃,并且在低温下也保持良好的机械韧性,在-200℃时也保持5%的伸长率,维持良好的挠曲性;聚四氟乙烯具有良好的耐候性,分子中没有光敏基团,长期暴露于大气中,仍然能保持表面及性能不变。良好的耐蚀性,在300℃下,不与强酸强碱、有机溶剂、强氧化剂等发生反应。
本发明的有益效果是:本发明综合考虑了聚苯硫醚良好的金属附着性以及聚四氟乙烯突出的不粘性,采用分层涂覆工艺制备出一种结合强度高,表面疏水性好,阻垢性能好,且耐高温、耐腐蚀的复合涂层,能够满足氧化铝生产中溶出设备的防护,对于工业生产具有实用价值,可进行规模化地生产。
附图说明
图1为高温老化时间-涂层润湿角折线图。
附图标记:(a)水,(b)NaOH。
具体实施方式
以下结合附图描述本发明的实施结构。
本发明用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层的制备方法,包括以下步骤:
(1)基体预处理;工业氧化铝生产中溶出设备主要包括溶出套管和蒸发器,其材质一般为20#钢,选用基体材料为厚度3mm的20#钢,试样尺寸分别为200×100×3mm,方便于后续的各种测试分析;对基体表面分别进行喷砂和除油处理后,再进行水洗及烘干;
(2)制备聚苯硫醚分散液;称量40~50g聚苯硫醚粉末,量取分散剂一200~300mL和质量分数为0.5~2%助剂一,所述分散剂一为无水乙醇、去离子水和N,N-二甲乙酰胺的混合液,无水乙醇、去离子水和N,N-二甲乙酰胺的体积比为1:1:1,将聚苯硫醚粉末、分散剂一和助剂进行搅拌混合均匀制得聚苯硫醚分散液;
(3)制备聚四氟乙烯/聚苯硫醚分散液;称量30~40g聚四氟乙烯粉末,20~30g聚苯硫醚粉末;量取分散剂二200~300mL和质量分数为0.5~2%助剂二,所述分散剂二为异丙酮、无水乙醇和N,N-二甲乙酰胺的混合液,异丙酮、去离子水和N,N-二甲乙酰胺的体积比为5:3:2,将聚苯硫醚粉末、分散剂二和助剂进行搅拌混合均匀聚四氟乙烯/聚苯硫醚分散液;
(4)分层涂覆;先将聚苯硫醚分散液涂覆到基体表面上,通过固化处理形成聚苯硫醚层;再将聚四氟乙烯/聚苯硫醚分散液涂覆到聚苯硫醚层上,通过固化处理形成聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层。
所述步骤(2)和步骤(3)中的助剂包括KH-500硅烷偶联剂、十二烷基硫磺钠表面活性剂、BYK-345流平剂或聚乙烯醇的一种或几种。
如表1和表2所示,按照以上步骤,实验制备出了4种不同PPS/(PTFE+PPS)防腐阻垢涂层进行性能对比测试。
表1 实验设计方案。
表2 固化处理方案。
对制备的PPS/(PPS+PTFE)系列涂层进行润湿实验。润湿液为水和170/L的NaOH溶液,润湿角如表3和表4所示,可知PPS/(PPS+PTFE)涂层水液滴和170g/L的NaOH液滴润湿角高达134.80°和135.57°,相比其它防腐阻垢涂层有更好的疏水性。
表3 涂层的水液滴润湿角/°。
表4 涂层的170g/L的NaOH液滴润湿角/°。
对涂层进行高温老化性能测试,涂层在260℃下,老化时间为0, 25, 100小时,测试涂层的润湿性。表5和表6为涂层的水液滴和170g/L的NaOH液滴下的润湿角,图1为高温老化时间-涂层润湿角折线图。以上可知, PPS/(PPS+PTFE)涂层的高温老化性能最好,在260℃、100h后,涂层的水和NaOH溶液润湿角分别为130.91°、133.19°,保持良好的疏水性。
表5不同高温老化时间对应的涂层水液滴润湿角/°。
表6不同高温老化时间对应的涂层170g/LNaOH液滴润湿角/°。
用划格法表征涂层结合强度实验,可知PPS/(PPS+PTFE)层附着力更好,均为1级。
综上所述,制备的4种涂层中聚苯硫醚/(聚四氟乙烯+聚苯硫醚)—PPS/(PPS+PTFE)涂层的耐蚀、结合强度、抗高温老化和疏水性更好,已能满足工业生产氧化铝相关溶出设备的防护。该涂层表面具有类似荷叶表面的微纳米乳突结构,使其具有较大的润湿角。防腐阻垢涂层表面主要成膜物质为聚四氟乙烯(PTFE)。PPS/(PPS+PTFE)涂层的综合性能最好,最佳固化工艺为底层:120℃保温15min,360℃保温15min;工作面层:120℃保温20min,220℃~370℃保温20min。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何不经过创造性劳动想到的变化或简单替换,都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层,其特征在于:所述防腐阻垢涂层涂覆在溶出设备表面基体上,所述防腐阻垢涂层结构从下往上依次包括聚苯硫醚层和聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层;所述聚苯硫醚层涂覆作为过渡层,所述聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层作为工作面层。
2.根据权利要求1所述的用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层,其特征在于:所述聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层中的聚四氟乙烯和聚苯硫醚的质量比为2:3。
3.一种根据权利要求1或2所述的用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)基体预处理;对基体表面分别进行喷砂和除油处理后,再进行水洗及烘干;
(2)制备聚苯硫醚分散液;称量40~50g聚苯硫醚粉末,量取分散剂一200~300mL和质量分数为0.5~2%助剂一,所述分散剂一为无水乙醇、去离子水和N,N-二甲乙酰胺的混合液,无水乙醇、去离子水和N,N-二甲乙酰胺的体积比为1:1:1,将聚苯硫醚粉末、分散剂一和助剂进行搅拌混合均匀制得聚苯硫醚分散液;
(3)制备聚四氟乙烯/聚苯硫醚分散液;称量30~40g聚四氟乙烯粉末,20~30g聚苯硫醚粉末;量取分散剂二200~300mL和质量分数为0.5~2%助剂二,所述分散剂二为异丙酮、无水乙醇和N,N-二甲乙酰胺的混合液,异丙酮、去离子水和N,N-二甲乙酰胺的体积比为5:3:2,将聚苯硫醚粉末、分散剂二和助剂进行搅拌混合均匀聚四氟乙烯/聚苯硫醚分散液;
(4)分层涂覆;先将聚苯硫醚分散液涂覆到基体表面上,通过固化处理形成聚苯硫醚层;再将聚四氟乙烯/聚苯硫醚分散液涂覆到聚苯硫醚层上,通过固化处理形成聚四氟乙烯/聚苯硫醚复合层。
4.根据权利要求3所述的用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)和步骤(3)中的助剂包括KH-500硅烷偶联剂、十二烷基硫磺钠表面活性剂、BYK-345流平剂或聚乙烯醇的一种或几种。
5.根据权利要求3所述的用于氧化铝生产中溶出设备的防腐阻垢涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中的固化处理工艺参数为:保温时间为100~400℃,保温时间为10~30min。
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