大型储油设施安全防护涂层性能研究

论文摘要

为有效避免由于静电引起的火灾爆炸事故,在石油储油设施中应用安全防护涂层是十分必要的。导电涂料是近20年来迅速发展起来的一种功能性涂料,用于储油设施,作为安全防护涂层,可避免由于静电引起的火灾爆炸事故。本文制备的大型储油设施安全防护涂层是以大型储备油罐为主要使用目标,以E20和E44环氧树脂作为涂层主要成膜材料,以碳纳米管作为涂层主要导电功能体而制成的。这种新型的导电涂层解决了以往导电涂层抗静电性能不够持久、耐水性不好、普遍色黑、不利于施工应用以及抗静电性能与耐油防腐性能难以兼顾的技术难题。通过分析涂料各组成成分的作用机理,制备了以改性环氧树脂/聚酰胺为成膜树脂,以碳纳米管与复合导电云母粉作为导电填料的大型储备油罐用导电涂料。研究了导电涂层固化行为与玻璃化温度、附着力、冲击强度和剥离强度之间的关系,确立了导电涂料的最佳固化条件。研究了碳纳米管的新型表面处理方法,首次将碳纳米管纯化、碱处理、偶联剂表面改性、超声波分散联用于碳纳米管处理过程。实验验证运用这种处理方法不仅可以保证碳纳米管比较均匀地分散在涂层中,而且还使碳纳米管表面具有更多的极性基团,有利于导电防腐涂层性能的综合改善提高。研究了碳纳米管含量对导电涂层的力学性能、耐湿热老化性能、导电性能、耐介质性能、耐热性能、耐油老化性能的影响及其作用原理。针对碳纳米管改性环氧树脂导电涂层在大型储备油罐中的特定用途,本文对碳纳米管改性环氧树脂导电涂层的耐油老化性能开展了专项研究,研究了被涂覆材料表面不同处理方法对涂层耐油老化性能的影响,研究了不同固化条件对涂层耐油老化性能的影响。系统研究了不同温度条件下的耐油老化对碳纳米管改性环氧树脂导电涂层玻璃化温度、剥离强度、导电性能、结构变化行为、表面微观形貌和元素组成的影响,并首次揭示了以上变化存在着明显的时温等效性规律。通过对碳纳米管改性环氧树脂导电涂层耐油老化行为的研究,提出了采用EDX方法计算扩散系数和扩散动力学的新方法。计算了不同温度下油料在涂层中的扩散系数和扩散动力学,比较了不同表面处理方法以及不同计算方法所计算的油料在涂层中的扩散系数和扩散动力学,验证了新方法的有效

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.2 导电涂料概述
• 1.2.1 导电涂料的种类及作用
• 1.2.2 环氧树脂涂料的主要特点
• 1.2.3 聚氨酯涂料的主要特点
• 1.2.4 环氧与聚氨酯导电涂料的比较分析
• 1.2.5 环氧树脂涂料的改性方法
• 1.2.6 涂层耐久性能的研究
• 1.3 国内外导电涂料研究发展状况
• 1.3.1 国内导电涂料的发展状况
• 1.3.2 国外导电涂料发展状况
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 碳纳米管改性导电涂料设计原理和研究方案
• 2.1 导电涂料导电机理分析
• 2.1.1 静电的产生及危害
• 2.1.2 导电通道学说-宏观的渗流理论
• 2.1.3 微观量子力学的隧道效应和场致发射效应
• 2.1.4 碳纳米管改性环氧树脂导电涂料的导电机理分析
• 2.2 影响涂料导电性能的因素分析
• 2.3 碳纳米管改性导电涂料的设计原理
• 2.4 碳纳米管改性导电涂料配方的设计方案
• 2.5 实验材料和方法
• 2.5.1 主要原材料及测试仪器
• 2.5.2 试样的制备
• 2.5.3 实验方法
• 2.5.4 测试方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 碳纳米管改性导电涂料的制备
• 3.1 碳纳米管改性导电涂料各组分的确定
• 3.1.1 成膜材料的选择
• 3.1.2 复合导电粉体的选择
• 3.1.3 溶剂和润湿分散剂的选择
• 3.2 导电涂料的制备
• 3.3 固化行为对涂层性能的影响
• 3.3.1 固化行为对涂层主要力学性能和导电性能的影响
• 3.3.2 固化行为对玻璃化温度、交联密度和弹性模量的影响
• 3.4 湿热老化对涂层主要性能的影响
• 3.4.1 固化度参数对湿热老化条件下涂层附着力的影响
• 3.4.2 固化程度对湿热老化条件下涂层冲击强度的影响
• 3.4.3 固化程度对湿热老化条件下涂层导电性能的影响
• 3.5 导电涂料工业化制备及性能验证
• 3.5.1 导电涂料工业化制备
• 3.5.2 导电涂料性能验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 碳纳米管对导电涂层性能的影响
• 4.1 碳纳米管的表面改性
• 4.1.1 碳纳米管的纯化
• 4.1.2 碳纳米管表面改性
• 4.2 碳纳米管处理前后对导电涂层力学性能的影响
• 4.3 碳纳米管含量对导电涂层力学性能的影响
• 4.4 碳纳米管含量对导电涂层耐湿热老化性能的影响
• 4.5 碳纳米管对导电涂层导电性能的影响
• 4.6 碳纳米管对导电涂层耐介质性能的影响
• 4.7 碳纳米管对导电涂层耐热性能的影响
• 4.8 碳纳米管对导电涂层耐油老化性能的影响
• 4.9 导电涂层在耐湿热老化过程中表面元素组成的变化
• 4.10 本章小结
• 第5章 碳纳米管改性导电涂层耐油老化性能的研究
• 5.1 不同处理方法对涂层耐油老化性能的影响
• 5.2 固化条件对涂层耐油老化性能的影响
• 5.3 耐油老化对涂层玻璃化温度的影响
• 5.4 耐油老化对涂层剥离强度的影响
• 5.5 耐油老化对导电涂层导电性能的影响
• 5.6 耐油老化对涂层结构变化行为的影响
• 5.7 耐油老化对导电涂层表面微观形貌和元素组成的影响
• 5.8 本章小结
• 第6章 碳纳米管改性导电涂层耐油老化行为的研究
• 6.1 油料在涂层中扩散系数的计算
• 6.2 表面处理方法对油料在涂层扩散系数的影响
• 6.3 油料在涂层中扩散动力学的计算
• 6.3.1 油料在涂层中扩散动力学的不同计算方法
• 6.3.2 表面处理方法对油料在涂层中扩散动力学的影响
• 6.4 老化温度与玻璃化温度以及吸油率关系式的推导
• 6.5 老化温度与玻璃化温度以及电阻关系式的推导
• 6.6 老化温度与吸油率以及电阻关系式的推导
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的主要学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历