一种水介质换热设备用防腐蚀抗结垢涂料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种耐腐蚀、抗结垢纳米钛涂料及其制备方法，具体的说是一种水介质换热设备用防腐蚀抗结垢涂料及其制备方法。该涂料采用纳米钛粉、预处理剂、环氧树脂、丙烯酸、双酚S型环氧树脂或缩水甘油酯类环氧树脂或缩水甘油胺类环氧树脂、有机溶剂、氨基硅油或有机氟试剂、蒸馏水，通过纳米钛粉预处理、环氧树脂改性、涂料制备三个主要工艺步骤制备而成，具有防腐蚀、抗结垢，蹦有效的提高换热器的传热效率和使用寿命等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐腐蚀、抗结垢纳米钛涂料及其制备方法，具 体的说是一种水介质换热设备用防腐蚀抗结垢涂料及其制备方法。

背景技术

在加热、冷却换热设备中，板式换热设备由于具有体积小，换 热能力强等特点，在矿山、冶金、石油、化工、机械、电力、医药、 食品、轻纺、造纸、船舶、海洋开发和人们日常生活中应用广泛。 水作为廉价易得的流体往往作为一种热交换介质使用，然而，由于 水中可以溶解多种离子，用于热交换的水质通常较复杂，很容易引 起换热设备腐蚀及结垢，从而降低设备换热效率或破坏换热设备。 即使采用不锈钢换热板，腐蚀和结垢也是不可避免的，不锈钢腐蚀 主要是溶液中的氯离子引起不锈钢的点蚀，点蚀的发生将直接导致 换热板的穿孔失效。另外，不锈钢局部的、选择性的、自晶界区发 生的腐蚀，使晶粒之间的结合力受到破坏，也是一种危害性很大的 腐蚀破坏形式。这些腐蚀，导致不锈钢换热板使用寿命大大缩短， 只有1-2年。这样，每年更换换热板使得成本上升，也造成了能源的 浪费。为了解决腐蚀问题，企业一般采用纯钛板作为换热器板材， 钛板具有优异的耐蚀性能，可以提供较长的使用寿命，但材料成本 过高，而且不能防垢，需要定期清洗或加入阻垢剂而增加生产成本。 涂层与镀层技术是一种简便易行，行之有效的技术途径。但现有技 术效果不理想。究其原因是涂层中的普通树脂与添加剂虽能在换热 器苛刻的环境中起到防护作用，但影响传热，防垢效果不稳定；而 金属镀层虽然传热好，但其在换热器苛刻的环境中对基体的防护作 用较差，防垢能力也较差。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点和不足，提供一种水 介质板式换热设备用防腐蚀抗结垢涂料，该涂料是一种纳米涂料， 涂覆板式换热器的金属板片后，既要起到防腐蚀、抗结垢作用，还 不影响换热器的传热效率。此涂料为一种二维纳米钛改性环氧树脂 涂料，利用片层钛粉的层叠阻挡与钝化作用抑制腐蚀介质的侵入， 利用钛粉之间的有效搭接提供较好的传热效果，利用改性的有机树 脂获得与基体良好的结合力与自洁能力，实现涂层技术对金属基体 换热板的防护，抗结垢作用，有效地延长使用寿命。

本发明的目的是这样实现的，该涂料的原料组成和各原料的重 量配比如下：

纳米钛粉：40～45份、

预处理剂：6份、

环氧树脂：18～20份、

丙烯酸：2～4份、

双酚S型环氧树脂或缩水甘油酯类环氧树脂或缩水甘油胺类环 氧树脂：12～15份、

有机溶剂：4份、

氨基硅油或有机氟试剂：3～5份、

蒸馏水：6份；

制备方法是：

首先将纳米钛粉和预处理剂混合后装入行星式球磨机对纳米钛 粉进行预处理，得到钛粉浆料，使处理后的纳米钛粉表面包裹一层 有机官能团，能够很好的分散于改性环氧树脂涂料中；其次是进行 环氧树脂改性，得到改性树脂；再用氨基硅油或有机氟试剂对改性 树脂进行改性；最后是涂料制备，将预处理后得到的钛粉浆料和改 性后的环氧树脂按照1∶1-1.2质量比混合，在强力搅拌下，再加入 蒸馏水调至需要粘度，继续在超声辅助强力机械搅拌1-3小时，即 制得本发明涂料。

其特征在于：

a、所述的纳米钛粉为片状，直径＜10μm，厚度约为100nm；

b、所述的预处理剂是一种混合物，由表面活性剂OP-10、吐温 60或吐温80中的一种或多种，糠醛树脂或氨基树脂中的一种或多 种、苯二甲酸二异丁酯混合而成，其中

活性剂OP-10、吐温60或吐温80：2份

糠醛树脂或氨基树脂           2份

苯二甲酸二异丁酯             2份；

c、所述的环氧树脂是是E-44、E-42、E-35、E-31、E-20中的 任何一种或多种；

d、所述有机溶剂是一种混合溶剂，由甲苯、二甲苯、正丁醇、 正辛醇、乙酸乙酯中的一种或两种混合物；

e、所述酚醛树脂是双酚S型环氧树脂、环氧化线型酚醛树脂中 的任何一种，所述缩水甘油酯类环氧树脂是711#、731#、732#中的 任何一种，所述缩水甘油胺类环氧树脂是AG-80、AFG-90中的任何 一种；

f、所述有机氟试剂是WRS系列、3585系列、AG-710、3589、 TG-421、TG-527、EC50中的任何一种。

一种水介质换热设备用防腐蚀抗结垢涂料制备方法的具体步骤 如下：

①、纳米钛粉预处理

采用物理化学方法处理纳米钛粉，处理后的纳米钛粉表面包裹 一层有机官能团，能够很好的分散于改性环氧树脂涂料中，使涂料 质量更均匀。将预处理剂与纳米钛粉按照质量比1∶5-10混合，混合 料转入行星式球磨机中，装料体积为50-85％，通入保护性气体10 分钟后球磨3-5小时，既得到处理后的钛粉浆料；所述的纳米钛粉 为片状，直径＜10μm，厚度约为100nm；所述的预处理剂是一种混 合物，由表面活性剂OP-10、吐温80、吐温60中的一种或多种，糠 醛树脂、氨基树脂中的一种，苯二甲酸二异丁酯，等质量比混合而 成，保护性气体为氮气或氩气；

②、环氧树脂改性

环氧树脂在金属基体上的附着力低，减弱了对金属基体的保护， 而且耐高温性能较差，需要对其进行改进以适用换热设备涂装，此 外，环氧树脂需要使用有机溶剂调配粘度，在施工使用过程中会释 放出有害气体对人体造成伤害，需要尽量少使用有机溶剂。因此， 本发明首先选用酚醛树脂、缩水甘油酯类型环氧树脂、缩水甘油胺 类型环氧树脂中的一种或两种对环氧树脂进行改性，得到改性树脂； 再用氨基硅油或有机氟试剂对上步骤的改性树脂进行改性；具体方 法为：取40-55质量份的环氧树脂，5-10质量份的丙烯酸，30-45 质量份的酚醛树脂、缩水甘油酯类型环氧树脂、缩水甘油胺类型环 氧树脂中的一种或两种，溶于5-10质量份的有机溶剂中，在45-80 ℃时对环氧树脂进行改性，然后加入5-15质量份的氨基硅油或有机 氟试剂，在60-105℃时进行改性，得到改性环氧树脂；所述有机溶 剂是一种混合溶剂，由甲苯、二甲苯、正丁醇、正辛醇、乙酸乙酯 中的一种或两种混合物；所述环氧树脂是E-44、E-42、E-35、E-31、 E-20中的任何一种或多种；所述酚醛树脂可以是双酚S型环氧树脂、 环氧化线型酚醛树脂中的任何一种；所述缩水甘油酯类环氧树脂可 以是711#、731#、732#中的任何一种；所述缩水甘油胺类环氧树脂 可以是AG-80、AFG-90中的任何一种；所述有机氟试剂可以是WRS 系列、3585系列、 AG-710、3589、TG-421、TG-527、EC 50中的任何一种；

③、涂料制备

将步骤①产物和步骤②产物按照1∶1-1.2质量比混合，在强力 搅拌下，再加入蒸馏水调至需要粘度，继续在超声辅助强力机械搅 拌1-3小时，即制得本发明涂料，装桶。

本发明涂料的使用方法为：首先，将换热器金属板片进行喷砂 除锈、二甲苯擦洗除油等步骤处理，晾干；然后，采用喷涂或刷涂 的方式用本涂料涂覆换热器板片；最后，将涂覆本涂料的换热器板 片放置烘箱内，在180℃下烘0.5小时，自然降至室温即可。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明采用物理化学方法处理纳米钛粉，处理后的纳米钛粉 表面包裹一层有机官能团，能够很好的分散于改性环氧树脂涂料中， 使涂料质量更均匀。

2、本发明采用的片状的钛粉，直径＜10μm，厚度为100nm，可 在涂层中平行排列，形成多层的防护屏障，有效地阻挡腐蚀介质的 渗入。同时纳米钛粉的优良的钝化作用也可以使涂层形成钝化层， 进一步抑制腐蚀的发生。选用合适的成膜树脂，可以通过改性提高 涂层的自洁能力，在一定程度上减少结垢的发生。片状钛粉的彼此 搭接，可以形成完整的导热路径，不会像纯粹的有机涂层那样大幅 度降低换热板的导热系数。

这样，在不锈钢板表面涂装二维纳米钛涂层，就可以提高不锈 钢的耐蚀、抗结垢等性能；涂层的厚度薄，与纯钛相比，可以大幅 度的降低成本。

3、导热效率高，本发明涂料克服了其它耐腐蚀涂料导热效率低 的缺点，涂层仅十几个微米厚，在涂层中片状钛粉的彼此搭接，可 以形成完整的导热路径，另外，改性后的树脂也比改性前环氧树脂 的导热能力高，所以该涂料层不会像纯粹的有机涂层那样大幅度降 低换热板的导热系数，可以保证换热器的效率与金属基体接近。

4、耐腐蚀能力强，本发明改性后的树脂与金属基体结合力强， 添加的片状钛粉，直径＜10μm，厚度为100nm，可在涂层中平行排列， 与改性树脂一起形成多层的防护屏障，有效地阻挡腐蚀介质的渗入。 同时纳米钛粉的优良的钝化作用也可以使涂层形成钝化层，进一步 抑制腐蚀的发生。

5、耐高温且抗温度变化能力强，本发明采用改性树脂，在200 ℃温度下，在温差变化50-100℃时，也不会发生起皮、脱落现象。

6、具有良好的防结垢效果，选用合适的成膜树脂，可以通过改 性提高涂层的自洁能力，使滞留底层厚度变薄，并降低了结垢离子 化合物在板片表面结晶结垢的机会，在一定程度上减少结垢的发生。

7、节能环保，本发明以水作为溶剂代替部分有机溶剂，减少了 有机溶剂的使用，在涂覆及使用换热器时，减少了有机溶剂挥发对 环境及工人身体的危害，而且，换热器板片涂装本纳米涂层，可以 提高板片的耐蚀性能，延长换热器的使用寿命；提高换热器抗结垢 能力，保持换热器长时间具有较高的换热效率，节约能源。此外， 普通板片涂装本发明涂料后，可以代替纯钛板或其他价格高昂的耐 蚀板片，大幅度的降低换热器生产成本。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步描 述，但本发明要求保护的范围不仅仅局限于实施例中说明的范围。

实施例1

涂料各组分的质量份数为：

纳米钛粉：40；

预处理剂：6(其中：OP-10，2；糠醛树脂，2；苯二甲酸二异丁 酯，2)；

环氧树脂E-44：20；

丙烯酸：4；

双酚S型环氧树脂：15；

有机溶剂：4(其中：甲苯，2；正辛醇，2)；

氨基硅油：5；

蒸馏水：6；

制备方法为：将钛粉和预处理剂混合后装入行星式球磨机，通 入氮气10分钟，密封后球磨3-5小时，得到钛粉浆料；将环氧树脂 E-44、丙烯酸、双酚S型环氧树脂、有机溶剂混合后在45-80℃时 进行改性处理，然后再加入氨基硅油在60-105℃时继续进行改性， 得到改性树脂；将钛粉浆料和改性树脂在1500-2500转/分钟转速下 机械搅拌混合，加入蒸馏水，超声波辅助搅拌1-3小时。得到本发 明防腐抗结垢涂料1。

实施例2

涂料各组分的质量份数为：

纳米钛粉：40；

预处理剂：6(其中：吐温80，2；氨基树脂，2；苯二甲酸二异 丁酯，2)；

环氧树脂E-42：20；

丙烯酸：4；

缩水甘油酯类环氧树脂711#：15；

有机溶剂：4(其中：二甲苯，2；正丁醇，2)；

有机氟试剂EC-50：5；

蒸馏水：6；

制备方法同实例1。得到本发明防腐抗结垢涂料2。

实施例3

涂料各组分的质量份数为：

纳米钛粉：45；

预处理剂：6(其中：吐温80，2；氨基树脂，2；苯二甲酸二异 丁酯，2)；

环氧树脂E-35：18；

丙烯酸：2；

缩水甘油酯类环氧树脂732#：12；

有机溶剂：4(其中：二甲苯，2；乙酸乙酯，2)；

有机氟试剂AG-710：5；

蒸馏水：8；

制备方法同实例1。得到本发明防腐抗结垢涂料3。

实施例4

涂料各组分的质量份数为：

纳米钛粉：45；

预处理剂：6(其中：吐温60，2；糠醛树脂，2；苯二甲酸二异 丁酯，2)；

环氧树脂E-31：18；

丙烯酸：2；

缩水甘油酯类环氧树脂711#：15；

有机溶剂：4(其中：二甲苯，2；正丁醇，2)；

氨基硅油：5；

蒸馏水：5；

制备方法同实例1。得到本发明防腐抗结垢涂料4。

实施例5

涂料各组分的质量份数为：

纳米钛粉：40；

预处理剂：6(其中：吐温80，2；氨基树脂，2；苯二甲酸二异 丁酯，2)；

环氧树脂E-20：20；

丙烯酸：4；

缩水甘油胺类环氧树脂AG-80：15；

有机溶剂：4(其中：二甲苯，2；乙酸乙酯，2)；

氨基硅油：5；

蒸馏水：6；

制备方法同实例1。得到本发明防腐抗结垢涂料5。

实施例6

涂料各组分的质量份数为：

纳米钛粉：44；

预处理剂：6(其中：OP-10，2；糠醛树脂，2；苯二甲酸二异丁 酯，2)；

环氧树脂E-44：20；

丙烯酸：3；

缩水甘油胺类环氧树脂AG-80：15；

有机溶剂：4(其中：正丁醇，2；乙酸乙酯，2)；

氨基硅油：3；

蒸馏水：5；

制备方法同实例1。得到本发明防腐抗结垢涂料6。

将得到的本发明防腐抗结垢涂料，使用喷涂方法涂装304#不锈 钢板片，涂装与未涂装的板片在盐雾箱中做对比腐蚀实验。结果如 下：

表1盐雾试验结果

表1可知，本发明的涂料对基体有较好的防护作用，可大大 延长换热设备使用寿命，涂料在金属基体表面的附着力强，未出现 鼓泡、起皮、脱落等现象。

将涂装本发明涂料1的板片与未涂装的板片分别组装成换热 器，采用换热器总传热系数测定法测试换热传热性能，此装置带有 自动数据采集、控温加压功能，用高浓度盐水为热流体，模拟测试 换热器抗结垢效果，涂层耐候性。结果如下：

表2换热实验结果

由表2可知，换热器涂装本发明涂料后，传热系数与未涂装的 金属基体换热器相近，没有影响换热器传热能力。经过连续三个月 的实验，涂装与未涂装涂料的换热器板片上均结有一定厚度的污垢， 但涂装本发明涂料后，换热器板片表面的污垢层较薄，厚度仅为未 涂装板片垢层的1/3，而且非常容易清洗掉，表现出较好的抗结垢 性能；涂装本发明涂料的换热器经过3个月的实验后，清洗掉污垢 层后观察涂层依然完好。