【摘 要】
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为深度回收烟气中的潜热与显热,工业烟气的排烟温度需降低至露点温度以下,但是过程中酸性气体的凝结会对换热壁面造成严重的露点腐蚀。氟树脂因含有大量的C-F键而具有极佳的稳定性,在高温浓酸环境中具有较大的应用潜力。然而,氟树脂的分子结构使其交联度较低,成型的涂层存在抗渗性较差的缺陷,极大地限制了其应用。围绕换热设备在高温浓酸环境中对涂层防腐、导热及稳定性的要求,首先制备了三维碳材料/氟树脂涂层,以露点环
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为深度回收烟气中的潜热与显热,工业烟气的排烟温度需降低至露点温度以下,但是过程中酸性气体的凝结会对换热壁面造成严重的露点腐蚀。氟树脂因含有大量的C-F键而具有极佳的稳定性,在高温浓酸环境中具有较大的应用潜力。然而,氟树脂的分子结构使其交联度较低,成型的涂层存在抗渗性较差的缺陷,极大地限制了其应用。围绕换热设备在高温浓酸环境中对涂层防腐、导热及稳定性的要求,首先制备了三维碳材料/氟树脂涂层,以露点环境为背景评价了材料的性能,在此基础上通过物理共混制备了二维碳材料/氟树脂涂层,重点探究了二维碳材料对氟树脂性能的影响及作用机制,而后进一步通过表面改性改善二维填料与树脂的界面相容性。主要研究内容及结果如下:（1）三维碳材料对氟树脂性能的影响。测试结果表明,石墨及氟化石墨可在一定程度上提升氟树脂的防渗透性能,当其含量为4 wt.%时,复合涂层的水蒸汽透过率相较于空白涂层分别降低了59.5%和66.7%。同时,填料通过构建导热网络、改变表面粗糙度来改善材料的传热系数及表面疏水性,当石墨及氟化石墨的含量达到15 wt.%时,复合材料的热导率分别提升了185%和87%。对比发现,氟化石墨掺杂的复合涂层性能更佳,且稳定性更强,其在76 wt.%H2SO4溶液中的服役极限可达200℃。（2）物理共混法制备二维碳材料/氟树脂复合涂层。与三维碳材料相比,二维填料石墨烯及氟化石墨烯对氟树脂涂层性能的提升作用更为明显。填料掺杂0.75 vol.%时,两种复合涂层的水蒸汽透过率分别下降了82.7%和85.1%。涂层结构测试结果表明,填料主要通过发挥“迷宫效应”及促进材料结晶这个双重机制来提升涂层的防渗透性能。对比发现,具有与氟树脂相似结构及元素分布的氟化石墨烯更能促进涂层性能的提升,且对材料化学稳定性影响更小,在90 wt.%硫酸溶液中的服役极限可达200℃。（3）化学键合法制备二维碳材料/氟树脂复合涂层。首先对氟树脂及氟化石墨烯进行表面处理,然后利用硅烷偶联剂KH550实现树脂与填料的键合。将改性前后的填料分别与氟树脂混合制得复合涂层（F-PFA＆K-PFA）。分析显示,F-PFA的结晶度为33.66%,而K-PFA为40.25%,表明改性有利于改善界面相容性,高分子长链更容易在改性后的填料表面附着结晶。涂层在1 wt.%H2SO4中浸泡60天后,F-PFA的涂层电阻下降至3.5×10~7Ω·cm~2,而K-PFA依然维持在1.4×1011Ω·cm~2,进一步说明表面改性可实现填料在树脂基体中的有效分散,有利于填料作用的充分发挥。但是,改性破坏了材料原有的C-F键,使其稳定性受到一定影响,在实际应用中应作为中间层使用。
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