阳极氧化等涂层在地热水中的腐蚀结垢性能

【摘要】：腐蚀和结垢问题制约着地热能的高效和经济利用。运用表面工程技术制备低表面能涂层，可以减小污垢附着力。致密的涂层还可以阻隔地热水与基底的直接相互作用，达到防腐和防垢的双重效果。本文采用二次阳极氧化法对纯钛和钛合金基底进行预处理，并结合氟硅烷改性等方法，以制备防腐抗垢涂层。还考察了其他几种功能涂层的腐蚀和结垢特性。 通过涂层接触角测量、形貌观察、电化学测试、静态浸渍实验等方法，研究了由英国Dundee大学提供的类金刚石(DLC)、金属聚合物、Ni-P-Cu-PTFE等涂层在天津某地热水中的腐蚀和结垢速率。结果表明，类金刚石涂层(DLC)更适合用于地热水防垢，金属聚合物和Ni-P-Cu-PTFE涂层表现出良好的防腐和防垢性能。 在中低温地热水对流板式换热实验装置上评估了上届研究生在AISI304不锈钢板式换热片上制备的LPD TiO2、LPD TiO2-FPS、Sol-gel TiO2、Sol-gelTiO2-FPS、Sol-gel SiO2、Sol-gel SiO2-FPS等6种涂层在模拟地热水中的防垢和防腐效果。每组实验进行15天。分析对流换热系数和污垢热阻数据结果表明：LPD TiO2和LPD TiO2-FPS板片的污垢诱导期相比未处理的不锈钢板片延长约3倍，渐近污垢热阻值下降约50%，在地热水中具有良好的防腐防垢性能；Sol-gelTiO2、Sol-gel TiO2-FPS涂层腐蚀较严重；Sol-gel SiO2和Sol-gel SiO2-FPS的污垢热阻较不锈钢板片高，但是，污垢疏松易清洗，因此，如果结合机械清理等物理方法，在地热能利用中仍可应用。 以纯钛和钛合金为基底，研究了阳极氧化法制备TiO2涂层过程中氧化电压、氧化次数、氧化时间、电解液、氧化温度等对TiO2纳米管阵列结构的几何尺寸、结构有序性和微观形貌的影响，确定了优化的阳极氧化工艺。将制备的规整纳米管阵列浸渍在氟硅烷中进行疏水改性，得到了超疏水涂层。通过粗糙度测量、接触角测量、表面自由能计算、电化学测试等表征手段对TiO2纳米管阵列和改性得到的超疏水涂层进行了表征，并考察了其在真实地热水中的静态腐蚀和结垢特性。 【关键词】：地热水 防垢 防腐 阳极氧化 纳米管阵列 氟硅烷 板式换热器
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ637
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 文献综述9-20
• 1.1 课题研究背景及意义9
• 1.2 换热器的污垢研究9-14
• 1.2.1 污垢的分类10
• 1.2.2 污垢监测技术10-11
• 1.2.3 防垢、抑垢、除垢技术11-14
• 1.3 涂层防腐蚀研究14-16
• 1.4 阳极氧化技术16-18
• 1.4.1 阳极氧化技术的理论基础16-17
• 1.4.2 阳极氧化技术制备 TiO_2纳米管结构17-18
• 1.5 氟硅烷改性18-19
• 1.6 本章小结19-20
• 第二章 微纳米 TiO_2涂层的制备和表征20-25
• 2.1 实验材料及设备20-22
• 2.1.1 实验材料20-21
• 2.1.2 实验设备21-22
• 2.2 制备工艺22-23
• 2.3 涂层的表征方法23-24
• 2.3.1 表面粗糙度23
• 2.3.2 表面形貌及元素分析23
• 2.3.3 静态接触角23-24
• 2.3.5 固体表面自由能的计算24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 有机复合涂层在地热水中的静态腐蚀与结垢实验研究25-38
• 3.1 引言25
• 3.2 实验25-27
• 3.3 涂层的表征27-37
• 3.3.1 接触角及表面能27
• 3.3.2 图像分析27-29
• 3.3.3 称重分析29-32
• 3.3.4 形貌及组成分析32-34
• 3.3.5 电化学测试34-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第四章 TiO_2/SiO_2复合涂层表面腐蚀和对流换热结垢性能研究38-52
• 4.1 引言38
• 4.2 实验装置和实验条件38-39
• 4.3 实验数据处理39-40
• 4.4 涂层的制备40-41
• 4.5 涂层的表征41-46
• 4.5.1 表面粗糙度测量41-42
• 4.5.2 静态接触角和表面能测量42-43
• 4.5.3 实验条件43
• 4.5.4 图像采集43-46
• 4.6 实验结果与讨论46-50
• 4.6.1 液相沉积板片的实验结果46-48
• 4.6.2 溶胶凝胶涂层的实验结果48-50
• 4.7 本章小结50-52
• 第五章 纯钛与钛合金基底上微纳米涂层的制备和表征52-72
• 5.1 引言52
• 5.2 TiO_2纳米管阵列的制备与表征52-59
• 5.2.1 实验装置52-53
• 5.2.2 不同实验参数对 TiO_2纳米管阵列的影响53-57
• 5.2.3 二次阳极氧化57-59
• 5.3 疏水涂层的制备与表征59-63
• 5.3.1 疏水涂层的制备59-60
• 5.3.2 表面粗糙度60-62
• 5.3.3 静态接触角及表面能62-63
• 5.4 静态污垢实验63-67
• 5.4.1 实验工质63-64
• 5.4.2 图像分析64-65
• 5.4.3 称重分析65-67
• 5.5 涂层的静态腐蚀研究67-70
• 5.6 本章小结70-72
• 第六章 结论与建议72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 建议73-74
• 符号说明74-77
• 参考文献77-87
• 发表论文和参加科研情况说明87-88
• 致谢88

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