有机化学反应通常在反应釜中进行，由于化学物质的粘稠吸附性，使得反应釜中化学物质粘壁成为妨碍正常生产的一个重要问题。作者通过溶胶-凝胶法制备具有低表面能的纳米溶胶，将其喷涂在洁净不锈钢反应釜内外壁，经350℃固化后，能在不锈钢涂料反应釜壁上形成厚度为微米级的不粘涂层。通过在生产水性涂料的不锈钢反应釜的试验表明：此方法制备的涂层施工工艺和固化工艺简单，防粘效果持久性强，具有良好的应用前景。

 

    文/成庆堂 江苏博斯腾纳米涂层有限公司、江苏河海纳米科技股份有限公司

 

    邵鹏飞 江苏博斯腾纳米涂层有限公司 徐新前 江苏河海纳米科技股份有限公司 夏冬前 泰兴市环境监测站

 

    引言

 

    金属材料具有优异的力学性能，在制造业、建筑业都得到了广泛的应用。但是，由于金属的标准电极电位低，使得金属表面对水及水溶液都具有较好的润湿性，从而在金属材料表面容易沾污很难清理或发生腐蚀。在不锈钢反应釜内外壁同样会出现因为难以清洗反应原料，使得反应釜内外壁结垢严重从而降低原料的纯度。目前解决的方法主要有两种，一是每次反应完全后清洗反应釜，每隔半年用火焰焚烧粘附在反应釜壁上的污垢；二是在反应釜壁上涂覆保护涂层，主要解决方法是在不锈钢反应釜内壁涂覆聚四氟乙烯涂层，但聚四氟乙烯涂层抗划伤性差，且在260℃以上热稳定性不好。本文以溶胶凝胶法制备的低表面能纳米溶胶，依靠有机基团的空间位阻，有效抑制颗粒的相互凝聚，合成均匀稳定的纳米溶胶产品。在涂覆于基材上形成涂层后，涂层为纳米颗粒包覆于有机-无机聚合物中的网络结构， 兼具无机氧化物稳定、高强度、耐化学腐蚀、耐高温和有机聚合物柔韧性好的多重特性，对基材有优良的防护功能。涂覆低表面能纳米溶胶涂层，使得金属表面获得了较低的表面能，结垢层与金属表面之间的附着力差，污垢不易沉积。

 

    纳米溶胶在不锈钢反应釜内防粘的应用

图1 涂覆工作现场示意图A

 

    为了试验纳米溶胶在反应釜内防粘的作用，需要将制作好的纳米溶胶涂覆到反应釜内壁上。为了将纳米溶胶牢固地涂覆在反应釜内壁上，必须对反应釜内壁进行前处理，以利于涂覆。具体应用步骤为前处理、涂装、后期固化。

 

    反应釜内壁的前处理

 

    用打磨机和抛光机在反应釜内外侧进行打磨、抛光，使反应釜壁光滑平整。用无水乙醇对反应釜内外侧经行清洗，确保反应釜需喷涂面光滑、洁净，无油污。
 

图2 涂覆工作现场示意图B

 

    涂装工艺

 

    将1500L的不锈钢反应釜侧放在水平地面，操作人员钻进反应釜，对反应釜内壁进行喷涂。为避免雾气对人员在操作过程中的伤害，喷涂人员佩戴防毒面具，头戴防尘帽。并在反应釜开口处安装了工业风扇对雾气进行消除，以减少对人体的伤害。

图3 不同固化温度下接触角的变化曲线

 

    涂层固化

 

    将15KW的加热器的电阻加热丝用钢条固定好，在三相线接线处通过剥去漆包线，然后套上陶瓷珠，使其达到耐高温效果。待涂层表面固化后，将电阻加热丝放置在反应釜内，在反应釜开口处用铁皮板盖住，通过放入温度感应器来显示反应釜内部温度。

 

    通电升温，反应釜内由初始温度升温至350℃，然后恒温1h，关闭电源，使其自然降温，加热恒温总耗时为220分钟。

 

    结果与讨论

 

    低表面能纳米溶胶涂层在钢材表面的性能检测

 

    从测试结果可以看出，涂层与不锈钢材料强力粘结，附着力达0级。涂层的耐划伤性为600g，性能良好。涂层表面硬度高，铅笔硬度为6H以上。耐高温性能达到700℃，远远超过了聚四氟乙烯的所能承受的最高温度。具体测试结果见表1。

 

    固化温度对涂层接触角的影响

 

    我们发现固化温度影响涂层的表面性能。为优化固化温度，涂层在220-450℃不同温度下固化，测试涂层的接触角，见图3。 结果表明， 涂层固化温度在350℃时，对水的接触角达到最大值，为110°。

 

    防粘效果对比

 

    经过两年时间的跟踪观察，对比涂覆低表面能纳米溶胶涂层和未涂覆该涂层的反应釜，发现涂覆该涂层的反应釜经过两年之后，表面仍有较好的防脏污性能。具体效果见到表2。

 

    结束语

 

    低表面能纳米溶胶涂层具有优良的憎水憎油性。对不锈钢基材的附着力强，耐高温且耐划伤能优良。最优的固化温度为350℃。该温度下对水的接触角达110°，能有效阻止反应物在不锈钢表面的附着，起到较好的防粘附作用和易清洁效果。低表面能纳米涂层明显改善不锈钢反应釜喷涂表面的防粘附性能，且具有较好的持久性。