CN112646485A - 疏水防蜡复合涂层的制备方法和疏水防蜡复合涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种疏水防蜡复合涂层的制备方法，包括清洁基材的基材预处理步骤、在基材上均匀涂覆硅橡胶的涂覆步骤、凹坑结构转印步骤和沉积步骤。其中凹坑结构转印步骤是将基材的涂有硅橡胶的涂胶面与具有荷叶表面结构的模板接触，使得涂胶面构造为具有与荷叶表面的结构相对应的凹坑结构。沉积步骤是在涂胶面沉积纳米炭黑颗粒，并使得纳米炭黑颗粒进入凹坑，得到疏水防蜡复合涂层。根据本发明的疏水防蜡复合涂层的制备方法，制备工艺简单且成本低，得到的涂层具有优秀的超疏水和防蜡功效，并具有良好的机械耐用性，适用于原油输运的油‑水两相流工况。

Description

疏水防蜡复合涂层的制备方法和疏水防蜡复合涂层
技术领域
本发明涉及石油开采和运输的技术领域，具体而言涉及一种疏水防蜡复合涂层的制备方法和疏水防蜡复合涂层。
背景技术
在原油开采与储运过程中，当温度低于析蜡点时，原油中的石蜡组分会缓慢析出并沉积在管道内壁，引起管道堵塞，诱发安全事故。全球每年需要花费上亿美元用于解决石油开采、输送中因石蜡沉积所引发的各种问题。
目前关于超疏水涂层的研究受到特殊的加工设备制约，使得超疏水涂层的制备较为繁琐，且制备的超疏水涂层很容易遭到破坏，在实际使用中耐用性有限，不利于大规模生产与使用。
并且，目前尚无成熟的同时拥有超疏水性能和防蜡性能的涂层及其制备方法。
因此，需要一种疏水防蜡复合涂层的制备方法和疏水防蜡复合涂层，以至少部分地解决以上问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为至少部分地解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种疏水防蜡复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
基材预处理步骤，清洁基材；
涂覆步骤，在所述基材上均匀涂覆硅橡胶；
凹坑结构转印步骤，将所述基材的涂有硅橡胶的涂胶面与具有荷叶表面的结构的模板接触，使得所述涂胶面构造为具有与所述荷叶表面的结构相对应的凹坑结构；
沉积步骤，在所述涂胶面沉积纳米炭黑颗粒，并使得所述纳米炭黑颗粒进入凹坑，得到所述疏水防蜡复合涂层。
进一步地，所述凹坑结构转印步骤包括：将所述涂胶面放置在所述具有荷叶表面的结构的模板上，在室温条件静置24h，之后再放入50℃烘干箱中2h，之后去除模板，得到具有所述凹坑结构的涂胶面。
进一步地，所述沉积步骤包括：通过燃烧沉积的方式产生所述纳米炭黑颗粒，并将所述纳米炭黑颗粒沉积至具有所述凹坑结构的所述涂胶面。
进一步地，所述沉积步骤还包括：将具有所述凹坑结构的所述涂胶面倒置在燃烧的蜡烛火焰上方3cm处进行所述纳米炭黑颗粒的沉积，并匀速移动基材2min。
进一步地，所述沉积步骤包括：通过煤、橡胶制品、天然气、重油或燃料油在氧气不足的条件下燃烧沉积所述纳米炭黑颗粒。
进一步地，所述基材预处理步骤包括：使用乙醇和丙酮分别对基材进行清洁预处理。
进一步地，所述涂覆步骤包括：以旋涂、喷涂或浸染涂拉的方式在基材表面涂覆质地和厚度均匀的硅橡胶，形成所述涂胶面。
根据本发明的疏水防蜡复合涂层的制备方法，制备工艺简单且成本低，得到的涂层具有优秀的超疏水和防蜡功效，并具有良好的机械耐用性，适用于原油输运的油-水两相流工况。
本发明的第二方面提供一种疏水防蜡复合涂层，由上述第一方面所述的疏水防蜡复合涂层的制备方法所制备，所述疏水防蜡复合涂层包括：
底层，所述底层的主要成分是硅橡胶，所述底层构造为具有与荷叶表面的结构相对应的凹坑结构；以及
纳米炭黑层，所述纳米炭黑层的主要成分是纳米炭黑颗粒，所述纳米炭黑颗粒沉积于所述底层的表面且填充进入所述凹坑结构的凹坑内。
进一步地，所述硅橡胶通过甲基硅橡胶预聚体和固化剂固化得到；
其中，所述甲基硅橡胶预聚体包括端羧基聚二甲基硅氧烷、端羟基聚二甲基硅氧烷或端氨基聚二甲基硅氧烷中的至少一种；
所述固化剂的通式为R4-n-Si-Yn，其中n＝3或4，R为烷基，Y为可水解基团或者可热分解基团。
进一步地，所述纳米炭黑颗粒的粒径为20-40nm。
根据本发明的疏水防蜡复合涂层，具有与第一方面的疏水防蜡复合涂层的制备方法相类似的技术效果。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1为根据本发明的疏水防蜡复合涂层的制备方法的流程简图；
图2为根据本发明的疏水防蜡复合涂层的制备过程示意图；以及
图3为根据本发明的疏水防蜡复合涂层的结构示意图。
附图标记说明：
1：疏水防蜡复合涂层
2：基材
3：底层
4：纳米炭黑层
5：模板
6：凹坑结构
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件、成分和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、成分、组件和/或它们的组合。
请参考图1和图2。本发明的一种优选实施方式的疏水防蜡复合涂层的制备方法能够制备图3所示的疏水防蜡复合涂层1，制备方法依次包括以下步骤。
S1：基材预处理步骤，清洁基材2。优选地，使用乙醇和丙酮分别对基材2进行清洁预处理。示例性地，如图2所示，可以将基材2浸入分别含有乙醇和丙酮的烧杯进行清洗。
基材2优选为玻璃。该步骤可以清洁基材2的表面，提高硅橡胶的附着力。
S2：涂覆步骤，在基材2上均匀涂覆硅橡胶。例如，可以采用旋涂、喷涂或浸染涂拉的方式在基材2表面涂覆质地和厚度均匀的硅橡胶，形成涂胶面。
本步骤在基材2的表面形成底层3(参考图3)，该底层3的主要成分是硅橡胶。优选地，硅橡胶可以甲基硅橡胶，其可以由甲基硅橡胶预聚体和固化剂固化而成。
其中，甲基硅橡胶预聚体优选为端羧基聚二甲基硅氧烷、端羟基聚二甲基硅氧烷或端氨基聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
固化剂的通式优选为R4-n-Si-Yn，其中n＝3或4，R为烷基，Y为可水解基团或者可热分解基团。
底层3的厚度可以根据需要进行调整。例如，增加底层3的厚度有利于降低石蜡在涂层表面的粘附强度。底层3能起到固定表面颗粒以及产生变形滑移从而降低石蜡的粘附强度的作用。
S3：凹坑结构转印步骤，将基材2的涂有硅橡胶的涂胶面与具有荷叶表面的模板5接触，使得涂胶面构造为具有与荷叶表面的结构相对应的凹坑结构6。具体地，将涂胶面放置在具有荷叶表面结构的模板5上，在室温条件静置24h，之后再放入50℃烘干箱中2h，之后去除模板5，得到具有凹坑结构6的涂胶面。优选地，具有荷叶表面结构的模板5可以为新鲜荷叶。
由此，能够在底层3的表面构造出凹坑结构6，该凹坑结构6与荷叶表面的结构嵌合。其凹坑能够起到储存纳米碳黑颗粒作用的同时，还具有与荷叶表面相类似的超疏水性能，并为界面提供裂纹和空隙。
并且，该凹坑结构6在涂层经受外部冲击时能够很好地保护内部的纳米碳黑颗粒。
S4：沉积步骤，在涂胶面沉积纳米炭黑颗粒，并使得纳米炭黑颗粒进入凹坑，形成纳米炭黑层4。从而得到疏水防蜡复合涂层1。
优选地，可以通过燃烧沉积的方式产生纳米炭黑颗粒。在图示实施方式中，采用蜡烛燃烧沉积的方式进行沉积。具体地，将具有凹坑结构6的涂胶面倒置在燃烧的蜡烛火焰上方3cm处进行纳米炭黑颗粒的沉积，并匀速移动基材2，使得燃烧产生的纳米炭黑颗粒均匀沉积在表面并填充进入凹坑结构6的凹坑内。
在未示出的实施方式中，还可以采用燃烧其它物质来产生纳米炭黑颗粒。例如，通过煤、橡胶制品、天然气、重油或燃料油在氧气不足的条件下燃烧沉积纳米炭黑颗粒。
燃烧产生的纳米炭黑颗粒的粒径优选为20-40nm。
纳米炭黑颗粒不仅因其低表面能和其纳米结构尺寸在石蜡凝固前排斥过冷的液体石蜡，而且在聚合物界面处引入了裂纹和空隙，使得颗粒处的应力集中，从而降低了石蜡的附着力。由此，纳米炭黑颗粒能够起到保持Cassie-Baxter状态、降低石蜡的形核率以及产生界面缺陷等作用。
根据本发明的疏水防蜡复合涂层的制备方法和疏水防蜡复合涂层，制备工艺简单且成本低，得到的涂层具有优秀的超疏水和防蜡功效，并具有良好的机械耐用性，适用于原油输运的油-水两相流工况。
示例性地，在经过严重的机械磨损(例如砂纸磨损试验和水流冲击试验)及重复使用后，涂层仍能够保持良好的疏水性及防石蜡特性，由此能够证明其良好的机械耐久性。涂层制备的原材料(产生纳米炭黑颗粒的原料)及硅橡胶容易获取，成本较低，可以大规模制造使用。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种疏水防蜡复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
基材预处理步骤，清洁基材；
涂覆步骤，在所述基材上均匀涂覆硅橡胶；
凹坑结构转印步骤，将所述基材的涂有硅橡胶的涂胶面与具有荷叶表面的结构的模板接触，使得所述涂胶面构造为具有与所述荷叶表面的结构相对应的凹坑结构；
沉积步骤，在所述涂胶面沉积纳米炭黑颗粒，并使得所述纳米炭黑颗粒进入凹坑，得到所述疏水防蜡复合涂层。
2.根据权利要求1所述的疏水防蜡复合涂层的制备方法，其特征在于，所述凹坑结构转印步骤包括：将所述涂胶面放置在所述具有荷叶表面的结构的模板上，在室温条件静置24h，之后再放入50℃烘干箱中2h，之后去除模板，得到具有所述凹坑结构的涂胶面。
3.根据权利要求1所述的疏水防蜡复合涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积步骤包括：通过燃烧沉积的方式产生所述纳米炭黑颗粒，并将所述纳米炭黑颗粒沉积至具有所述凹坑结构的所述涂胶面。
4.根据权利要求3所述的疏水防蜡复合涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积步骤还包括：将具有所述凹坑结构的所述涂胶面倒置在燃烧的蜡烛火焰上方3cm处进行所述纳米炭黑颗粒的沉积，并匀速移动基材2min。
5.根据权利要求3所述的疏水防蜡复合涂层的制备方法，其特征在于，所述沉积步骤包括：通过煤、橡胶制品、天然气、重油或燃料油在氧气不足的条件下燃烧沉积所述纳米炭黑颗粒。
6.根据权利要求1所述的疏水防蜡复合涂层的制备方法，其特征在于，所述基材预处理步骤包括：使用乙醇和丙酮分别对基材进行清洁预处理。
7.根据权利要求1所述的疏水防蜡复合涂层的制备方法，其特征在于，所述涂覆步骤包括：以旋涂、喷涂或浸染涂拉的方式在基材表面涂覆质地和厚度均匀的硅橡胶，形成所述涂胶面。
8.一种疏水防蜡复合涂层，由权利要求1-7中任意一项所述的疏水防蜡复合涂层的制备方法所制备，其特征在于，所述疏水防蜡复合涂层包括：
底层，所述底层的主要成分是硅橡胶，所述底层构造为具有与荷叶表面的结构相对应的凹坑结构；以及
纳米炭黑层，所述纳米炭黑层的主要成分是纳米炭黑颗粒，所述纳米炭黑颗粒附着于所述底层的表面且填充进入所述凹坑结构的凹坑内。
9.根据权利要求8所述的疏水防蜡复合涂层，其特征在于，所述硅橡胶通过甲基硅橡胶预聚体和固化剂固化得到；
其中，所述甲基硅橡胶预聚体包括端羧基聚二甲基硅氧烷、端羟基聚二甲基硅氧烷或端氨基聚二甲基硅氧烷中的至少一种；
所述固化剂的通式为R4-n-Si-Yn，其中n＝3或4，R为烷基，Y为可水解基团或者可热分解基团。
10.根据权利要求8所述的疏水防蜡复合涂层，其特征在于，所述纳米炭黑颗粒的粒径为20-40nm。
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