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東北石油大學 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

結垢問題廣泛存在于各種工業過程中，如冷卻水系統、換熱器、發電、化工行業等。常規防垢方法（化學防垢、物理方法和工藝防垢）大多存在高成本、高能耗和環境污染等問題。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用。然而，超疏水涂層普遍存在耐久性差、性能不穩定的問題，這在很大程度上限制了其應用。因此，迫切需要開發一種具有耐久性且防垢性能優異的功能涂層。

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

圖1 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。

功能涂層的結垢測試表明，阻垢劑（EDTA）原位儲存的超疏水涂層表現出優異的防垢性能。在60 ℃過飽和碳酸鈣溶液中結垢288 h后，涂層表面的結垢量最低。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、動態釋放并與Ca²⁺離子螯合，起到防垢作用。

圖2 不同涂層表面碳酸鈣結垢量隨時間的變化：（a）無阻垢劑涂層、（b）阻垢劑EDTA原位存儲超疏水涂層。

圖3 不同涂層表面碳酸鈣結垢量隨時間的變化：(a) H62、(b) ACO、(c) DTPMPA/ACO、(d) Cu²⁺/DTPMPA/ACO、(e) PFDS/Cu²⁺/DTPMPA/ACO。

此外，對結垢后的功能涂層進行了XPS光譜分析，結果表明與未結垢的涂層相比，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。而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生絡合反應，從而抑制了Ca²⁺和CO₃^2-之間的反應。

圖4 結垢10 h后金屬離子與阻垢劑耦合型超疏水防垢功能涂的XPS光譜。

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

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

相關研究成果先后發表在石油科學領域高水平學術期刊Petroleum Science上，論文的第一作者為東北石油大學博士研究生朱明亮，通訊作者為東北石油大學AFCC團隊的指導老師汪懷遠教授。

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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（責任編輯：xu）

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