氧化铜/氟硅低聚物纳米复合多功能传热表面的制备及性能研究

论文摘要

随着现代科技的飞速发展,化工、食品制造、电子、海水淡化、核工业和能源等各个工业部门对防治换热器表面腐蚀和结垢的问题提出了越来越高的要求,原有的以环氧树脂和酚醛树脂为基础的换热器多功能涂料为实现换热器表面耐腐蚀性能、抑制污垢沉积和高热导率等多功能的耦合,需要多次多层涂覆以满足其多功能性的实现,不仅施工工艺复杂,而且难以修复,无法满足实际使用的要求。本论文以溶胶-凝胶法制备的无机金属氧化物/陶瓷复合材料和自由基溶液聚合含氟硅共聚物为基础,开展了材料合成、形态结构表征和表面功能改性的系统研究。尝试开发出一种可以一次性在换热器表面涂装,功能层自动分层,具有耐腐蚀、抑制污垢和高热导率的多功能复合材料。具体地说,主要在以下几个方面开展了探索性的研究工作。（1）通过溶胶一凝胶工艺制备了CuO/SiO2和NiO/SiO2纳米复相陶瓷涂层。研究表明,高热导率的弥散相纳米氧化物粒子包埋于氧化硅矩阵中,形成类内晶型结构,可以引起裂纹桥连、钉扎、偏转等纳米复相强韧化效应,从而减轻矩阵界面残余应力,控制陶瓷固有的裂纹,减少陶瓷材料的结构缺陷,显著提高纳米复合陶瓷涂层的耐腐蚀性能和导热性能。对比实验表明,添加的纳米粒子本身的物理化学性质对于纳米复合陶瓷涂层耐腐蚀性能和导热性能的提高同样有着至关重要的影响。（2）分别采用Cu（NO3）2·3H2O和Cu（C5H7O2）2（Cu（acac）2）为金属醇盐制备了具有不同CuO含量的SCuN和SCuC系列CuOX/SiO2纳米复合材料。随着氧化铜加量的增加,SCuN和SCuC系列复合材料中纳米氧化铜分别存在从氧化铜纳米球到纳米棒（SCuN系列）以及从氧化铜纳米球到方形结构（SCuC系列）的晶形转变。同时,随着氧化铜加量的增加,形成的纳米粒子的尺寸增加,导致植入粒子和硅陶瓷矩阵之间的热扩散失配增大,从而扩大了微裂纹的尺寸以及微裂纹的数量,导致复合涂层的缺陷增多。低的弥散相纳米粒子的添加量、低团聚和高度分散是溶胶-凝胶工艺制备结构致密、缺陷更少的纳米复合材料的关键因素,更有利于提高其耐蚀能力。此外,纳米粒子含量以及粒子尺寸大小对纳米复合涂层热导率的提高也有着重要的影响。（3）采用自由基溶液聚合与溶胶-凝胶法相结合的方法制备了可以自动分层的含氟高分子/SiO2杂化疏水材料。疏水的含氟烷基由于其极大的表面活性自动向表面富集,定向于空气形成界面层,具有极低的表面能;柔性的碳氢主链可以有效缓解应力集聚,减少涂层缺陷;底层为硅氧网络结构,与基体材料有极强的结合力。溶剂性质及其加量可以极大地影响氟硅低聚物的结构,以及表面含氟基团的富集程度。采用良溶剂制备的低聚物大分子结构呈现更蓬松舒展的无规线团态,使含氟侧链更容易迁移到溶液/空气界面,疏水性能更好。随着溶剂加量的增加,溶液分散性更好,形成的聚合物分子量降低,从而使含氟侧链向表面的迁移速度更快,氟硅氧烷聚合物表面疏水性能更好。无机组分的增加将促进溶胶的水解和缩聚的程度,提高聚合物的分子量,增加底层硅氧网络的厚度,增强杂化材料与基体材料的结合强度,提高氟硅氧烷杂化材料的耐腐蚀和耐久性能,对氟硅氧烷杂化材料表面疏水性能影响不大。（4）通过铜金属盐,TEOS与氟硅低聚物溶液共水解缩聚制备了具有含氟侧基的碳碳主链高分子和硅氧网络的氧化铜/氟硅低聚物纳米复合低表面能材料。结果表明,纳米复合低表面能材料改性处理表面具有优异的耐腐蚀性能;优异的抗介质渗透性能;与基体有良好的附着力;显著的防垢效果;良好的热传导性。引入的氧化铜纳米粒子主要是包埋于底层硅氧网络结构内部,完善底层硅氧网络结构,提高其耐腐蚀性能和热导率,对于纳米复合杂化材料的疏水性能影响不大。含氟侧链的存在使纳米复合杂化材料具有极低的表面能,使污垢附着力降低,在换热表面的沉积也趋于分散,有利提高换热器的换热效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 溶胶-凝胶工艺制备耐腐蚀涂层的研究
• 1.1.1 无机单组分陶瓷涂层
• 1.1.2 无机复合陶瓷涂层
• 1.1.3 有机-无机杂化涂层
• 1.2 低表面能表面抗垢性
• 1.2.1 改性表面抗垢性
• 1.2.2 低表面能聚合物材料
• 1.2.3 氟硅聚合物合成工艺
• 1.2.4 氟硅聚合物防污涂料
• 1.3 纳米复合材料
• 1.3.1 复相陶瓷的增强、增韧机制
• 1.3.2 提高耐腐蚀性能
• 1.3.3 高热导率涂层
• 1.3.4 附着力和稳定性
• 1.4本课题研究思路与内容
• 2和NiO/SiO₂纳米复合材料的制备和性能研究'>2 CuO/SiO₂和NiO/SiO₂纳米复合材料的制备和性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品及仪器
• 2.2.2 制备工艺
• 2.2.3 测试方法
• 2.3 相组成和微结构分析
• 2.3.1 晶相分析
• 2.3.2 纳米复合材料微观形态
• 2.3.3 组成结构分析
• 2.3.4 纳米复合材料涂层表面形貌
• 2.4 附着力测试
• 2.5 耐腐蚀性能
• 2.6 热导率测定
• 2.7 本章小结
• X/SiO₂纳米复合涂层的制备及性能研究'>3 SCuN系列CuO_X/SiO₂纳米复合涂层的制备及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 相组成和微结构分析
• 3.3.1 热失重分析
• 3.3.2 组成结构分析
• 3.3.3 晶相分析
• 3.3.4 化学组成分析
• 3.3.5 透射电镜微观形态
• 3.3.6 纳米复合陶瓷涂层表面形貌
• 3.4 耐腐蚀性能
• 3.4.1 动电位极化曲线
• 3.4.2 盐酸腐蚀失重实验
• 3.5 表观热导率
• 3.6 本章小结
• X/SiO₂纳米复合涂层的制备及性能研究'>4 SCuC系列CuO_X/SiO₂纳米复合涂层的制备及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 组成结构分析
• 4.3.2 热分析
• 4.3.3 晶相分析
• 4.3.4 元素组成以及价态分析
• 4.3.5 微观结构
• 4.3.6 纳米复合陶瓷涂层表面形貌
• 4.4 本章小结
• 5 氟硅低聚物杂化疏水材料的制备及表面调整性能的研究
• 5.1 引言
• 5.2 氟硅低聚物杂化材料的制备
• 5.2.1 实验试剂与仪器
• 5.2.2 实验步骤
• 5.2.3 性能表征
• 5.3 溶剂对氟硅低聚物杂化材料性能的影响
• 5.4 溶剂加量对氟硅低聚物杂化疏水材料性能的影响
• 5.5 无机组分含量对氟硅低聚物杂化材料性能的影响
• 5.6 本章小结
• 6 氧化铜/氟硅低聚物纳米复合多功能传热表面的制备及性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 纳米复合杂化材料的制备
• 6.3 复合涂层对表面能的影响
• 6.4 复合涂层表面形态
• 6.5 耐腐蚀性能
• 6.6 表观热导率
• 6.7 抗垢性能研究
• 6.7.1 实验装置及流程
• 6.7.2 预备性实验
• 6.7.3 数据处理
• 6.7.4 结果与讨论
• 6.8 本章小结
• 结论
• 工作展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 附录 涂层表观热导率的测定结果
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介