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東北石油大學(xué) AFCC 團隊《Petrol. Sci.》:離子/分子耦合型超疏水防垢功能涂層
2022-08-30  來源:高分子科技

  結(jié)垢問題廣泛存在于各種工業(yè)過程中,如冷卻水系統(tǒng)、換熱器、發(fā)電、化工行業(yè)等。常規(guī)防垢方法(化學(xué)防垢、物理方法和工藝防垢)大多存在高成本、高能耗和環(huán)境污染等問題。超疏水表面,即與水接觸角大于150°的表面,是近年的研究熱點,在自清潔、防腐、防污、減阻涂層方面具有重要的應(yīng)用。然而,超疏水涂層普遍存在耐久性差、性能不穩(wěn)定的問題,這在很大程度上限制了其應(yīng)用。因此,迫切需要開發(fā)一種具有耐久性且防垢性能優(yōu)異的功能涂層。


  基于上述需求,東北石油大學(xué)AFCC團隊從流體/涂層界面出發(fā),創(chuàng)新性提出并通過阻垢劑分子和金屬離子耦合的原位儲存、動態(tài)釋放,制備了性能優(yōu)異的金屬離子與阻垢劑分子耦合型超疏水防垢功能涂層。與傳統(tǒng)液體防垢劑相比,在流動系統(tǒng)里具有綠色環(huán)保、高效低成本的優(yōu)勢。 


金屬離子與阻垢劑耦合型超疏水防垢功能涂層表征:(a)涂層紅外分析、(b)涂層XRD分析、(c)涂層XPS分析。


  功能涂層的結(jié)垢測試表明,阻垢劑EDTA)原位儲存的超疏水涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的防垢性能。在60 ℃過飽和碳酸鈣溶液中結(jié)垢288 h后,涂層表面的結(jié)垢量最低。換用阻垢劑(DTPMPA)并耦合金屬離子后,所制備的金屬離子與阻垢劑耦合型超疏水防垢功能涂層(PFDS/Cu2+/DTPMPA/ACO)仍表現(xiàn)出出色的防垢性能。這源于功能涂層中存儲的阻垢劑(EDTA、DTPMPA等)在涂層界面的活性、動態(tài)釋放并Ca2+離子螯合,起到防垢作用。 


不同涂層表面碳酸鈣結(jié)垢量隨時間的變化a)無阻垢劑涂層、(b)阻垢劑EDTA原位存儲超疏水涂層。 


不同涂層表面碳酸鈣結(jié)垢量隨時間的變化(a) H62(b) ACO、(c) DTPMPA/ACO、(d) Cu2+/DTPMPA/ACO、(e) PFDS/Cu2+/DTPMPA/ACO。


  此外,對結(jié)垢后的功能涂層進行了XPS光譜分析,結(jié)果表明與未結(jié)垢的涂層相比,Cu2+含量降低,而Cu+含量增加,這說明涂層中部分Cu2+離子釋放到了碳酸鈣溶液中。Cu2+離子在低濃度下是一種非常有效的阻垢劑。釋放的Cu2+離子更容易與碳酸鹽離子的發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),從而抑制了Ca2+CO32-之間的反應(yīng)。 


結(jié)垢10 h后金屬離子與阻垢劑耦合型超疏水防垢功能涂XPS光譜。 


5 Cu2+DTPMPA之間化學(xué)鍵合的示意圖(a)、涂層/溶液界面上Cu2+Ca2+之間的離子交換反應(yīng)(b)和螯合轉(zhuǎn)化(c)。


  在金屬離子(Cu2+)與阻垢劑(DTPMPA)的耦合作用下,超疏水涂層具有優(yōu)異的防垢性能,在石油化工及相關(guān)行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景,為超疏水防垢耐用功能涂層提供了新的思路。


  相關(guān)研究成果先后發(fā)表在石油科學(xué)領(lǐng)域高水平學(xué)術(shù)期刊Petroleum Science上,論文的第一作者為東北石油大學(xué)博士研究生朱明亮,通訊作者為東北石油大學(xué)AFCC團隊的指導(dǎo)老師汪懷遠教授。 


  原文鏈接:

  https://doi.org/10.1016/j.petsci.2022.07.005

  https://doi.org/10.1007/s12182-021-00558-x

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