论文部分内容阅读
在油田生产中,由于无机盐如碳酸钙、硫酸钙和氢氧化镁的沉积而导致的管道结垢现象非常普遍。管道结垢使集输管线缩径、流体流动阻力增加,严重时会造成管道堵塞,对油田生产造成极大的危害。因此,防垢技术受到人们普遍关注。涂层防垢是通过在金属设备的表面制备或涂覆低表面自由能的物质,增大垢质在表面附着的难度以达到防垢的技术。因具有较低的表面自由能和微观粗糙结构,聚合物基超疏水涂层在自清洁、防腐、流体减阻、防冰和防污等方面显示出独特的优势,已成为该领域研究的热点。本论文以提高聚合物基涂层的防垢性能和耐久性为目标,通过在聚合物中添加无机纳米填料、碳纳米填料和有机螯合剂,设计制备了防垢性能优异的聚合物基超疏水复合涂层。系统研究了填料对涂层表面形貌、表面自由能、表面粗糙度及防垢性能的影响,揭示了不同填料对涂层防垢性能提升的作用机制。主要研究结果如下:（1）以聚苯硫醚（PPS）和聚四氟乙烯（PTFE）为原料,以纳米SiO2为填料制备了超疏水PPS/PTFE/SiO2复合涂层。PPS/PTFE/SiO2复合涂层的表面自由能为0.90m J/m2,水接触角达151.30°,涂层内部形成了微米-纳米多级结构,类似于荷叶的表面,使其可保持较高的疏水性。超疏水PPS/PTFE/SiO2复合涂层具有良好的防垢性能,其结垢量为环氧涂层的38.6%。由于纳米SiO2填料在构建涂层微结构及粗糙度中的双重作用,为超疏水涂层防垢机理的探讨提供了基础。（2）以聚偏氟乙烯（PVDF）和聚全氟乙丙烯（FEP）为原料,通过添加无机纳米填料（纳米Zn O、Al2O3、Cu O和SiO2）制备了PVDF/FEP/无机纳米填料复合涂层,研究了无机纳米填料对不同树脂为基体的超疏水涂层防垢性能的影响。结果表明,PVDF/FEP/SiO2复合涂层的表面自由能为5.7 m J/m2,水接触角为150.65°。在超疏水PVDF/FEP/SiO2复合涂层表面形成了微米-纳米多级粗糙结构,以SiO2为中心CNTs缠绕其周围形成的微结构,可以很好地包裹空气形成空气膜,从而有效阻止碳酸钙晶体在涂层表面的成核与生长。超疏水PVDF/FEP/SiO2复合涂层表面碳酸钙的结垢量为环氧涂层的71.2%,表明纳米SiO2在以热塑性树脂为原料的超疏水涂层中具有适用性。（3）通过在PVDF/FEP/SiO2复合涂层中加入碳纳米管（CNTs）、碳纳米纤维（CNFs）、石墨烯纳米片（Gn Ps）和炭黑（CB）作为填料制备了超疏水涂层,并考察了碳纳米填料对超疏水复合涂层防垢性能的影响。发现CNTs特殊的中空结构和高强度可保持空气膜的稳定性和耐久性,而且CNTs的低表面自由能和拦截作用可有效防止碳酸钙在涂层表面的粘附,进一步增强超疏水PVDF/FEP/SiO2/CNTs复合涂层的防垢性能。在各种碳纳米填料中CNTs对涂层性能的影响最为明显,PVDF/FEP/SiO2/CNTs复合涂层的表面粗糙度较大（17.568μm）,但是其表面自由能仅为0.40 m J/m2,水接触角为152.30°。超疏水PVDF/FEP/SiO2/CNTs复合涂层表面的结垢量分别为环氧涂层和PVDF/FEP/SiO2复合涂层的36.8%和44.0%。CNTs的加入使聚合物和纳米SiO2之间形成多孔网状纳米粗糙结构,有利于在涂层表面保持较厚的空气膜,增强超疏水PVDF/FEP/SiO2/CNTs复合涂层的疏水性能。（4）基于PVDF/FEP/SiO2/CNTs复合涂层的微结构,通过浸渍法将有机螯合剂EDTA作为防垢剂引入涂层,制备了超疏水PVDF/FEP/SiO2/CNTs-EDTA复合涂层,研究了超疏水涂层的防垢性能。发现EDTA能够优先将到达涂层表面的易成垢阳离子(Ca2+)螯合,减缓了无机盐的成垢反应,从而大大提升了涂层的防垢性能。EDTA与CNTs浸渍12 h时,PVDF/FEP/SiO2/CNTs-EDTA复合涂层的表面自由能为0.95 m J/m2,水接触角为150.63°。EDTA的添加使CNTs-EDTA环绕在SiO2的中心形成微米-纳米多级结构,对于涂层水下空气膜的保持以及超疏水稳定性具有重要的作用。超疏水PVDF/FEP/SiO2/CNTs-EDTA复合涂层具有优异的防垢性能,在过饱和碳酸钙溶液中浸泡192 h后,涂层表面的结垢量分别为疏水环氧涂层、超疏水PVDF/FEP/SiO2复合涂层和超疏水PVDF/FEP/SiO2/CNTs复合涂层的1.7%、5.4%和13.1%。有机螯合剂增强的超疏水涂层防垢性能的相关研究,将对超疏水涂层的研究开发及其应用具有重要作用。