專利名稱：一種納米氟碳復(fù)合涂層的制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料和強(qiáng)化傳熱技術(shù)領(lǐng)域，涉及到納米氟碳復(fù)合涂層及其制備工藝，特別涉及到使用涂層對(duì)金屬材料表面進(jìn)行改性，獲得防腐性能好、結(jié)合力強(qiáng)、強(qiáng)化傳熱效果顯著的改性表面，并將其應(yīng)用到換熱設(shè)備中。
背景技術(shù)：
由于燃料中存在灰分、水分以及硫分，含濕氣體在發(fā)生露點(diǎn)冷凝時(shí)，會(huì)對(duì)各受熱冷凝式換熱器表面造成腐蝕、污染等問(wèn)題，嚴(yán)重影響余熱利用設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性，開(kāi)發(fā)一種適用于含濕氣體露點(diǎn)冷凝余熱回收的防腐換熱表面十分必要。目前用于換熱表面防腐蝕兼顧抗垢的涂料，以環(huán)氧樹(shù)脂與丙烯酸酯類居多。其中氟碳樹(shù)脂及氟碳涂料作為一類高新技術(shù)產(chǎn)品，在防腐抗垢等方面的綜合性能是所有涂料產(chǎn)品中的最好的。但是有機(jī)聚合物涂層改性表面的共同特點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)比傳統(tǒng)的金屬表面小得多，附加熱阻大。通常導(dǎo)熱填料都是選用超細(xì)顆粒，如微米或納米量級(jí)粒徑，運(yùn)用適當(dāng)?shù)姆稚⒓夹g(shù)使之均勻地分散在涂料中。雖然納米級(jí)填料的小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，能夠使其比熱容和導(dǎo)熱率均比普通填料大幾倍甚至十幾倍。但納米顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，在噴涂過(guò)程中容易堆積，使得膜層更厚，反而不利于傳熱。且涂層成型后，外表面上添加物的比例會(huì)使表面自由能升高，增大了涂層的黏附力，使得表面更易結(jié)垢，提高污垢熱阻。同時(shí)導(dǎo)熱填料使涂層粘度升高，導(dǎo)致實(shí)用性降低。基于以上分析，開(kāi)發(fā)一種制備簡(jiǎn)單、可有效解決露點(diǎn)腐蝕成垢問(wèn)題并能利用壁面微構(gòu)型技術(shù)強(qiáng)化傳熱的涂層制備工藝具有重大意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種材料表面改性技術(shù)，將其應(yīng)用到換熱設(shè)備，尤其是用于煙道氣低溫余熱回收裝置的換熱器中，以提高換熱表面的防腐、抗垢性能，并提高換熱表面的換熱效率?？捎糜阢~合金、鋁合金、碳鋼等材質(zhì)的表面改性。本發(fā)明先對(duì)基體材料進(jìn)行刻蝕處理獲得微/納結(jié)構(gòu)，以涂層包覆基材表面預(yù)生成的微/納結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中添加納米導(dǎo)熱填料，在促進(jìn)傳熱的同時(shí)避免納米填料帶來(lái)的問(wèn)題。其具體技術(shù)工藝是:對(duì)基體材料進(jìn)行氧化刻蝕或噴砂處理，氧化刻蝕方法處理的基材洗去氧化物后獲得基體表面的微/納結(jié)構(gòu)，然后采用分子自組裝技術(shù)獲得親溶劑表面，進(jìn)而噴涂氟碳涂液，燒結(jié)固化后獲得微/納結(jié)構(gòu)填充的氟碳復(fù)合涂層。1、基材預(yù)處理:將基材用砂紙打磨后用丙酮清洗，然后用去離子水清洗。2、微/納結(jié)構(gòu)預(yù)生成:根據(jù)基材的不同采用氧化刻蝕或噴砂的方式在基材表面形成微/納結(jié)構(gòu)，氧化刻蝕處理的基材需用稀酸洗去氧化物。3、自組裝:用去離子水清洗微/納結(jié)構(gòu)表面，自然晾干后于180°C左右恒溫加熱1.5-2h，待溫度自然下降至室溫后將基體材料浸入十八烷基硫醇的乙醇溶液中進(jìn)行分子自組裝，形成親溶劑處理表面；再在基材表面噴涂氟碳涂料并將其放入熱處理爐中燒結(jié)成膜，燒結(jié)過(guò)程在氮?dú)獗Ｗo(hù)下階段升溫。噴涂時(shí)，將攪拌過(guò)的氟碳涂料注入噴槍，控制空氣壓縮機(jī)壓力為0.Γ0.6 MPa進(jìn)行噴涂，以保證高度霧化。控制噴槍與基材表面距離20cm左右，以保證噴涂均勻。基于對(duì)涂層厚度、穩(wěn)定性和耐溫性能的考慮，可選擇具有代表性的單組分氟碳涂料如四氟乙烯-全氟烷氧基醚共聚物(PFA)、聚偏二氟乙烯涂料(PVDF)等。燒結(jié)時(shí)，將覆蓋了氟碳涂料的試樣放入熱處理爐中燒結(jié)成膜，燒結(jié)過(guò)程用氮?dú)饧右员Ｗo(hù)，避免基材及涂層氧化。燒結(jié)過(guò)程采用階段式升溫，控制平均升溫速率在:TC /min。升溫至120°C時(shí)恒溫20min，使溶劑緩慢揮發(fā)，升溫至370°C時(shí)恒溫30min使涂層塑化流平，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下緩慢冷卻至室溫。本發(fā)明的效果和益處是:采用在微/納刻蝕結(jié)構(gòu)上直接噴涂氟碳涂料的方式，以基材表面的微/納結(jié)構(gòu)代替導(dǎo)熱填料，獲得的微/納結(jié)構(gòu)更均勻，且具有顆粒尺度及數(shù)量的可調(diào)控性，增強(qiáng)了導(dǎo)熱填料與基體間的傳熱接觸和結(jié)合力?？捎行Э朔鹘y(tǒng)的涂料中添加納米導(dǎo)熱填料帶來(lái)的團(tuán)聚問(wèn)題，使得涂層更薄、傳熱效果更好?？涛g結(jié)構(gòu)與氟碳涂層間加入一層自組裝膜，有利于噴涂液潤(rùn)濕并包覆微/納結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)涂層與微/納結(jié)構(gòu)的結(jié)合力及氟碳涂層的封孔防腐特性。另外微/納結(jié)構(gòu)處于涂層底層，解決了添加導(dǎo)熱填料導(dǎo)致涂層表面能升高的問(wèn)題。保證了復(fù)合涂層低表面自由能特性，有效提高涂層的防腐抗垢性能。
附圖1是涂層制備過(guò)程的示意圖，其中(a)表示打磨后的平整基體；(b )表示刻蝕后的微/納結(jié)構(gòu)；(C)表示涂層包覆微/納結(jié)構(gòu)。附圖2是刻蝕結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖，其中(a)為沒(méi)有用酸洗去氧化銅的掃描電鏡圖，(b)為用酸洗去氧化銅的掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。實(shí)施例1:在紫銅刻蝕表面噴涂PFA涂層。預(yù)處理過(guò)程為將基材用800#到2000#砂紙分級(jí)打磨處理后丙酮清洗，然后用去離子水清洗；刻蝕過(guò)程為將清潔的紫銅塊表面浸入
0.065mol/L的過(guò)硫酸鉀(K2S2O8)和2.5mol/L氫氧化鉀(KOH)的水溶液中，放置在60°C恒溫水浴中浸泡反應(yīng)60min ；1%的稀硫酸清洗刻蝕表面后用去離子水沖洗,晾干后放入180°C的烘箱內(nèi)加熱2h，待溫度下降至室溫后浸入2.5mmol/L十八烷基硫醇乙醇溶液中，在70°C恒溫水浴中浸泡30min后取出，去離子水清洗并烘干；噴涂前將PFA中加入N，N- 二甲基乙酰胺溶劑調(diào)節(jié)PFA粘度至500mPa s左右并攪拌一夜備用，然后在0.Γθ.6 MPa下進(jìn)行噴涂，控制噴槍口與基材表面距離約20cm ;燒結(jié)固化階段控制平均升溫速率在3°C /min，升溫至120°C時(shí)恒溫20min，最后在370°C時(shí)恒溫30min，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下緩慢冷卻至室溫。。在120°C時(shí)充入氮?dú)?調(diào)節(jié)充入氮?dú)獾乃俣?使速度適當(dāng)、氣流穩(wěn)定。涂層固化停止充入氮?dú)?，使涂層在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻。
權(quán)利要求
1.種納米氟碳復(fù)合涂層的制備工藝，其特征在于:對(duì)預(yù)處理過(guò)的基材進(jìn)行氧化刻蝕或噴砂處理獲得基材表面的微/納結(jié)構(gòu)，噴涂過(guò)程中噴涂液浸沒(méi)微/納結(jié)構(gòu)，經(jīng)燒結(jié)過(guò)程形成微/納結(jié)構(gòu)填充的氟碳復(fù)合涂層。具體操作工藝為:首先對(duì)預(yù)處理后的基體材料進(jìn)行氧化刻蝕或噴砂處理；對(duì)氧化刻蝕處理的基材用稀酸洗去表面的氧化物后用去離子水清洗表面，噴砂處理的基材直接用去離子水清洗表面；晾干后于180°c左右恒溫加熱1.5-2h，自然冷卻至室溫；然后對(duì)基體材料進(jìn)行分子自組裝處理，形成親溶劑處理表面；最后在基材表面噴涂氟碳涂料并將其放入熱處理爐中燒結(jié)成膜，燒結(jié)過(guò)程在氮?dú)獗Ｗo(hù)下階段式升溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征在于:噴涂時(shí)，將攪拌過(guò)的氟碳涂料注入噴槍，控制空氣壓縮機(jī)壓力為0.Γ0.6 MPa進(jìn)行噴涂；控制噴槍與基材表面距離20cm左右。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征在于:燒結(jié)時(shí)，將覆蓋了氟碳涂料的試樣放入熱處理爐中燒結(jié)成膜，燒結(jié)過(guò)程用氮?dú)饧右员Ｗo(hù)；燒結(jié)過(guò)程采用階段式升溫，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下緩慢冷卻至室溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備工藝，其特征在于:所述的氟碳涂料是四氟乙烯-全氟烷氧基醚共聚物PFA或聚偏二氟乙烯涂料PVDF。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備工藝，其特征在于:所述的氟碳涂料是四氟乙烯-全氟烷氧基醚共聚物PFA或聚偏二氟乙烯涂料PVDF。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備工藝，其特征在于:所述的階段式升溫是控制平均升溫速率在3°C /min，升溫至120°C時(shí)恒溫20min，升溫至370°C時(shí)恒溫30min。
全文摘要
一種納米氟碳復(fù)合涂層的制備工藝，屬于材料和強(qiáng)化傳熱技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于對(duì)基體材料進(jìn)行氧化刻蝕或噴砂處理，洗去氧化物后獲得基體表面的微/納結(jié)構(gòu)，然后采用分子自組裝技術(shù)獲得親溶劑表面，進(jìn)而噴涂氟碳涂液，燒結(jié)固化后獲得微/納結(jié)構(gòu)填充的氟碳復(fù)合涂層。本發(fā)明的效果和益處是以基材表面的微/納結(jié)構(gòu)代替導(dǎo)熱填料，獲得的微/納結(jié)構(gòu)更均勻、顆粒尺度及數(shù)量可調(diào)控，增強(qiáng)導(dǎo)熱填料與基體間的傳熱接觸和結(jié)合力。刻蝕結(jié)構(gòu)與氟碳涂層間加入一層自組裝膜，有利于噴涂液包覆微/納結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)涂層與微/納結(jié)構(gòu)的結(jié)合力及氟碳涂層的封孔防腐特性。并且微/納結(jié)構(gòu)處于復(fù)合涂層底層，保證了復(fù)合涂層低表面能的特性，有效提高涂層的防腐抗垢性能。
文檔編號(hào)B05D7/14GK103084321SQ201310019338
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月19日
發(fā)明者蘭忠, 馬學(xué)虎, 張永強(qiáng), 彭本利, 溫榮福, 白濤 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)