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纳米改性氟碳涂层的制备与性能研究

石静  
【摘要】: 烟道气余热的回收利用,具有显著的经济效益和社会效益。然而烟道气中积灰和腐蚀问题是换热器正常运行的一大威胁和隐患。现在防腐涂料是解决换热器腐蚀和结垢问题的重要途径。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,这也制约了防腐涂料的应用。 本文通过共混法在氟碳涂料(PFA)中填充纳米Cr203导热颗粒,采用FT-IR、金相显微镜、TGA、EPMA、接触角表征涂层性能。通过瞬时指数法及腐蚀实验测试涂层的导热性及耐蚀性。结果表明,纳米Cr203能够填充有机PFA涂层的微孔,提高了涂层导热性能,Cr203的质量含量为4%,涂层的导热率为0.396 W/mK,较PFA涂层提高了30%,且导热率随添加含量的提高而增大,17%时,涂层的导热率可达0.606W/mK。在90℃下30%的硫酸溶液中,添加4%纳米颗粒的涂层稳定腐蚀阶段的平均腐蚀速率比PFA涂层低30%左右。常温极化曲线的维钝电流密度低0.5个数量级,自腐蚀电位高400mV,均反映出添加了纳米颗粒的涂层良好的耐蚀性能。EIS测试也表明纳米颗粒的添加提高了涂层的耐蚀性。但Cr2O3含量提高至8%时,纳米颗粒的添加就不能有效改善涂层的防腐性。添加11%时,涂层的维钝电流密度开始迅速降低,耐蚀性下降明显。 为了改善无机颗粒的团聚及其与有机涂层的相容性,采用氨基硅烷偶联剂(AS)对纳米颗粒进行改性,通过正交实验确定改性的最佳工艺为AS含量0.8%,40℃下反应1h。添加改性后的Cr2O3纳米颗粒的PFA涂层,对涂层的导热系数的改善与未改性之前相差不大;但对涂层的耐蚀性因添加含量不同影响较大。极化曲线表明:纳米颗粒含量4%以下时,纳米颗粒改性对纳米PFA涂层的耐蚀性能提高不大。当纳米颗粒的含量提高时,改性纳米颗粒防护效果提高明显,添加8%的纳米颗粒可达到4%的效果。至11%时,自腐蚀电位提高100mV,自腐蚀电流减小0.5个数量级,能保证涂层达到较高导热率同时满足一定的防护效果。 采用EIS分析了添加纳米颗粒对提高PFA涂层耐蚀性的作用机理。涂层浸泡初期纳米Cr203颗粒对涂层有修补作用。涂层浸泡中后期Warburg阻抗特征的出现表明纳米颗粒的添加延长了电解质溶液的渗入途径,提高了涂层对腐蚀介质的屏蔽作用。有机涂层的耐渗水性是有机涂层防护性能的一个重要指标。通过对较高频率的电容分析,得到有机涂层中水的扩散系数为2.2×10-10cm/s和涂层饱和吸水体积分数为26.2%。


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