东北石油大学 AFCC 团队《Petrol. Sci.》：离子/分子耦合型超疏水防垢功能涂层

2022-08-30 来源：高分子科技

结垢问题广泛存在于各种工业过程中，如冷却水系统、换热器、发电、化工行业等。常规防垢方法（化学防垢、物理方法和工艺防垢）大多存在高成本、高能耗和环境污染等问题。超疏水表面，即与水接触角大于150°的表面，是近年的研究热点，在自清洁、防腐、防污、减阻涂层方面具有重要的应用。然而，超疏水涂层普遍存在耐久性差、性能不稳定的问题，这在很大程度上限制了其应用。因此，迫切需要开发一种具有耐久性且防垢性能优异的功能涂层。

基于上述需求，东北石油大学AFCC团队从流体/涂层界面出发，创新性提出并通过阻垢剂分子和金属离子耦合的原位储存、动态释放，制备了性能优异的金属离子与阻垢剂分子耦合型超疏水防垢功能涂层。与传统液体防垢剂相比，在流动系统里具有绿色环保、高效低成本的优势。

图1 金属离子与阻垢剂耦合型超疏水防垢功能涂层表征：（a）涂层红外分析、（b）涂层XRD分析、（c）涂层XPS分析。

功能涂层的结垢测试表明，阻垢剂（EDTA）原位储存的超疏水涂层表现出优异的防垢性能。在60 ℃过饱和碳酸钙溶液中结垢288 h后，涂层表面的结垢量最低。换用阻垢剂（DTPMPA）并耦合金属离子后，所制备的金属离子与阻垢剂耦合型超疏水防垢功能涂层（PFDS/Cu²⁺/DTPMPA/ACO）仍表现出出色的防垢性能。这源于功能涂层中存储的阻垢剂（EDTA、DTPMPA等）在涂层界面的活性、动态释放并与Ca²⁺离子螯合，起到防垢作用。

图2 不同涂层表面碳酸钙结垢量随时间的变化：（a）无阻垢剂涂层、（b）阻垢剂EDTA原位存储超疏水涂层。

图3 不同涂层表面碳酸钙结垢量随时间的变化：(a) H62、(b) ACO、(c) DTPMPA/ACO、(d) Cu²⁺/DTPMPA/ACO、(e) PFDS/Cu²⁺/DTPMPA/ACO。

此外，对结垢后的功能涂层进行了XPS光谱分析，结果表明与未结垢的涂层相比，Cu²⁺含量降低，而Cu⁺含量增加，这说明涂层中部分Cu²⁺离子释放到了碳酸钙溶液中。而Cu²⁺离子在低浓度下是一种非常有效的阻垢剂。释放的Cu²⁺离子更容易与碳酸盐离子的发生络合反应，从而抑制了Ca²⁺和CO₃^2-之间的反应。

图4 结垢10 h后金属离子与阻垢剂耦合型超疏水防垢功能涂的XPS光谱。

图5 Cu²⁺与DTPMPA之间化学键合的示意图（a）、涂层/溶液界面上Cu²⁺和Ca²⁺之间的离子交换反应（b）和螯合转化（c）。

在金属离子（Cu²⁺）与阻垢剂（DTPMPA）的耦合作用下，超疏水涂层具有优异的防垢性能，在石油化工及相关行业具有广阔的应用前景，为超疏水防垢耐用功能涂层提供了新的思路。

相关研究成果先后发表在石油科学领域高水平学术期刊Petroleum Science上，论文的第一作者为东北石油大学博士研究生朱明亮，通讯作者为东北石油大学AFCC团队的指导老师汪怀远教授。

原文链接：

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

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

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（责任编辑：xu）

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