CN103084321B - 一种纳米氟碳复合涂层的制备工艺 - Google Patents
一种纳米氟碳复合涂层的制备工艺 Download PDFInfo
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Abstract
一种纳米氟碳复合涂层的制备工艺，属于材料和强化传热技术领域。其特征在于：对基体材料进行氧化刻蚀或喷砂处理，洗去氧化物后获得基体表面的微/纳结构，然后采用分子自组装技术获得亲溶剂表面，进而喷涂氟碳涂液，烧结固化后获得微/纳结构填充的氟碳复合涂层。本发明的效果和益处是：以基材表面的微/纳结构代替导热填料，获得的微/纳结构更均匀、颗粒尺度及数量可调控，增强导热填料与基体间的传热接触和结合力。刻蚀结构与氟碳涂层间加入一层自组装膜，有利于喷涂液包覆微/纳结构，增强涂层与微/纳结构的结合力及氟碳涂层的封孔防腐特性。并且微/纳结构处于复合涂层底层，保证了复合涂层低表面能的特性，有效提高涂层的防腐抗垢性能。
Description
技术领域
本发明属于材料和强化传热技术领域，涉及到纳米氟碳复合涂层及其制备工艺，特别涉及到使用涂层对金属材料表面进行改性，获得防腐性能好、结合力强、强化传热效果显著的改性表面，并将其应用到换热设备中。
背景技术
由于燃料中存在灰分、水分以及硫分，含湿气体在发生露点冷凝时，会对各受热冷凝式换热器表面造成腐蚀、污染等问题，严重影响余热利用设备的安全性和经济性，开发一种适用于含湿气体露点冷凝余热回收的防腐换热表面十分必要。
目前用于换热表面防腐蚀兼顾抗垢的涂料，以环氧树脂与丙烯酸酯类居多。其中氟碳树脂及氟碳涂料作为一类高新技术产品，在防腐抗垢等方面的综合性能是所有涂料产品中的最好的。但是有机聚合物涂层改性表面的共同特点是导热系数比传统的金属表面小得多，附加热阻大。
通常导热填料都是选用超细颗粒，如微米或纳米量级粒径，运用适当的分散技术使之均匀地分散在涂料中。虽然纳米级填料的小尺寸效应和宏观量子隧道效应，能够使其比热容和导热率均比普通填料大几倍甚至十几倍。但纳米颗粒容易发生团聚现象，在喷涂过程中容易堆积，使得膜层更厚，反而不利于传热。且涂层成型后，外表面上添加物的比例会使表面自由能升高，增大了涂层的黏附力，使得表面更易结垢，提高污垢热阻。同时导热填料使涂层粘度升高，导致实用性降低。
基于以上分析，开发一种制备简单、可有效解决露点腐蚀成垢问题并能利用壁面微构型技术强化传热的涂层制备工艺具有重大意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种材料表面改性技术，将其应用到换热设备，尤其是用于烟道气低温余热回收装置的换热器中，以提高换热表面的防腐、抗垢性能，并提高换热表面的换热效率。可用于铜合金、铝合金、碳钢等材质的表面改性。
本发明先对基体材料进行刻蚀处理获得微/纳结构，以涂层包覆基材表面预生成的微/纳结构代替传统工艺中添加纳米导热填料，在促进传热的同时避免纳米填料带来的问题。其具体技术工艺是：
对基体材料进行氧化刻蚀或喷砂处理，氧化刻蚀方法处理的基材洗去氧化物后获得基体表面的微/纳结构，然后采用分子自组装技术获得亲溶剂表面，进而喷涂氟碳涂液，烧结固化后获得微/纳结构填充的氟碳复合涂层。
1、基材预处理：将基材用砂纸打磨后用丙酮清洗，然后用去离子水清洗。
2、微/纳结构预生成：根据基材的不同采用氧化刻蚀或喷砂的方式在基材表面形成微/纳结构，氧化刻蚀处理的基材需用稀酸洗去氧化物。
3、自组装：用去离子水清洗微/纳结构表面，自然晾干后于180℃左右恒温加热1.5-2h，待温度自然下降至室温后将基体材料浸入十八烷基硫醇的乙醇溶液中进行分子自组装，形成亲溶剂处理表面；再在基材表面喷涂氟碳涂料并将其放入热处理炉中烧结成膜，烧结过程在氮气保护下阶段升温。
喷涂时，将搅拌过的氟碳涂料注入喷枪，控制空气压缩机压力为0.4~0.6 MPa进行喷涂，以保证高度雾化。控制喷枪与基材表面距离20cm左右，以保证喷涂均匀。基于对涂层厚度、稳定性和耐温性能的考虑，可选择具有代表性的单组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。
烧结时，将覆盖了氟碳涂料的试样放入热处理炉中烧结成膜，烧结过程用氮气加以保护，避免基材及涂层氧化。烧结过程采用阶段式升温，控制平均升温速率在3℃/min。升温至120℃时恒温20min，使溶剂缓慢挥发，升温至370℃时恒温30min使涂层塑化流平，然后在氮气保护下缓慢冷却至室温。
本发明的效果和益处是：
采用在微/纳刻蚀结构上直接喷涂氟碳涂料的方式，以基材表面的微/纳结构代替导热填料，获得的微/纳结构更均匀，且具有颗粒尺度及数量的可调控性，增强了导热填料与基体间的传热接触和结合力。可有效克服传统的涂料中添加纳米导热填料带来的团聚问题，使得涂层更薄、传热效果更好。刻蚀结构与氟碳涂层间加入一层自组装膜，有利于喷涂液润湿并包覆微/纳结构，增强涂层与微/纳结构的结合力及氟碳涂层的封孔防腐特性。另外微/纳结构处于涂层底层，解决了添加导热填料导致涂层表面能升高的问题。保证了复合涂层低表面自由能特性，有效提高涂层的防腐抗垢性能。
附图说明
附图1是涂层制备过程的示意图，其中（a）表示打磨后的平整基体；（b）表示刻蚀后的微/纳结构；（c）表示涂层包覆微/纳结构。
附图2是刻蚀结构的扫描电镜图，其中（a）为没有用酸洗去氧化铜的扫描电镜图，（b）为用酸洗去氧化铜的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1：
在紫铜刻蚀表面喷涂PFA涂层。预处理过程为将基材用800#到2000#砂纸分级打磨处理后丙酮清洗，然后用去离子水清洗；刻蚀过程为将清洁的紫铜块表面浸入0.065mol/L的过硫酸钾（K2S2O8）和2.5mol/L氢氧化钾（KOH）的水溶液中，放置在60℃恒温水浴中浸泡反应60min；1%的稀硫酸清洗刻蚀表面后用去离子水冲洗，晾干后放入180℃的烘箱内加热2h，待温度下降至室温后浸入2.5mmol/L十八烷基硫醇乙醇溶液中，在70℃恒温水浴中浸泡30min后取出，去离子水清洗并烘干；喷涂前将PFA中加入N,N-二甲基乙酰胺溶剂调节PFA粘度至500mPa∙s左右并搅拌一夜备用，然后在0.4~0.6 MPa下进行喷涂，控制喷枪口与基材表面距离约20cm；烧结固化阶段控制平均升温速率在3℃/min，升温至120℃时恒温20min，最后在370℃时恒温30min，然后在氮气保护下缓慢冷却至室温。。在120℃时充入氮气，调节充入氮气的速度，使速度适当、气流稳定。涂层固化停止充入氮气，使涂层在氮气的保护下自然冷却。
Claims (1)
1.一种纳米氟碳复合涂层的制备工艺，其特征在于：将基材用800#到2000#砂纸分级打磨处理后丙酮清洗，然后用去离子水清洗；刻蚀过程为将清洁的紫铜块表面浸入0.065mol/L的过硫酸钾和2.5mol/L氢氧化钾的水溶液中，放置在60℃恒温水浴中浸泡反应60min；1%的稀硫酸清洗刻蚀表面后用去离子水冲洗，晾干后放入180℃的烘箱内加热2h，待温度下降至室温后浸入2.5mmol/L十八烷基硫醇乙醇溶液中，在70℃恒温水浴中浸泡30min后取出，去离子水清洗并烘干；喷涂前将PFA中加入N,N-二甲基乙酰胺溶剂调节PFA粘度至500mPa∙s并搅拌一夜备用，然后在0.4~0.6 MPa下进行喷涂，控制喷枪口与基材表面距离20cm；烧结固化阶段控制平均升温速率在3℃/min，升温至120℃时恒温20min，最后在370℃时恒温30min，然后在氮气保护下缓慢冷却至室温；在120℃时充入氮气，调节充入氮气的速度，使速度适当、气流稳定；涂层固化停止充入氮气，使涂层在氮气的保护下自然冷却。
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