PTFE濃度對(duì)電廠冷卻水管Ni-Mo-PPTFE復(fù)合鍍層形貌和防垢性能的影響

李鵬飛，張海濤

（內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010070）

以Ni-P 鍍層、Ni-Mo-P 鍍層為代表的鎳基合金鍍層及以Ni-P/PTFE復(fù)合鍍層為代表的鎳磷二元合金復(fù)合鍍層，因具有較低的表面能，已被用作低表面能涂層來(lái)減緩金屬材料表面生垢［1-4］。隨著對(duì)鎳基合金鍍層及鎳磷二元合金復(fù)合鍍層的防垢性能提出越來(lái)越高的要求，學(xué)者們開(kāi)始致力于三元乃至多元合金復(fù)合鍍層的防垢性能研究。

陳衡陽(yáng)等［5］研究了Ni-Cu-P/PTFE 復(fù)合鍍層的防垢性能，并探討了復(fù)合鍍層表面污垢的沉積量與復(fù)合鍍層的表面能及粗糙度之間的關(guān)系。陳帥帥等［6］研究了Ni-W-P/PTFE 復(fù)合鍍層的防垢性能，并通過(guò)建立模型對(duì)復(fù)合鍍層表面污垢的沉積量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。楊梓健等［7］研究了Ni-Mo-P/PTFE 復(fù)合鍍層的防垢性能，通過(guò)向溶液中添加硫酸鈰以期提高復(fù)合鍍層的防垢性能，并重點(diǎn)考察了硫酸鈰質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合鍍層結(jié)垢率的影響。

與前人的研究主題不同，本文采用單因素實(shí)驗(yàn)法研究了PTFE 濃度對(duì)電廠冷卻水管常用的20#鋼表面Ni-Mo-P/PTFE復(fù)合鍍層形貌和防垢性能的影響，旨在篩選出較佳的PTFE 濃度，進(jìn)而得到具有較好防垢性能的Ni-Mo-P/PTFE復(fù)合鍍層。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Ni-Mo-P/PTFE復(fù)合鍍層的制備

采用化學(xué)鍍工藝在20#鋼表面制備N(xiāo)i-Mo-P/PTFE 復(fù)合鍍層，使用的溶液成分和工藝條件見(jiàn)表1。當(dāng)溶液中PTFE 濃度分別為5、10、15、20、25 和30 mL 的條件下，制備六種不同的Ni-Mo-P/PTFE復(fù)合鍍層，依次命名為復(fù)合鍍層C1、C2、C3、C4、C5和C6。

表1 化學(xué)鍍Ni-Mo-P/PTFE 復(fù)合鍍層使用的溶液成分和工藝條件Tab.1 Solution component and process conditions for electroless plating of Ni-Mo-P/PTFE composite coating

1.2 Ni-Mo-P/PTFE復(fù)合鍍層測(cè)試

1.2.1 復(fù)合鍍層形貌及復(fù)合鍍層中PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)

使用附帶有Oxford Inca能譜儀的JSM-6360LV掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合鍍層形貌，同時(shí)測(cè)定復(fù)合鍍層的化學(xué)成分，得到各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)F在PTFE 中所占的質(zhì)量百分比，通過(guò)換算得到復(fù)合鍍層中PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.2 復(fù)合鍍層的防垢性能

在模擬硬水中進(jìn)行生垢實(shí)驗(yàn)，以生垢速率作為評(píng)價(jià)復(fù)合鍍層防垢性能得指標(biāo)。模擬硬水的成分為：氯化鈣0.75 g/L、氯化鈉2.5 g/L、氯化鎂0.4 g/L、碳酸氫鈉1.6 g/L。模擬硬水?dāng)嚢杈鶆蚝髮㈠兒蟮匿撈肫渲?，靜置24 h后取出，浸洗后置于恒溫干燥箱中烘干，使用BSA124S-CW 型電子天平通過(guò)稱重求差值計(jì)算出生垢速率。與此同時(shí)，使用能譜儀分析沉積在復(fù)合鍍層表面的污垢化學(xué)成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 PTFE濃度對(duì)復(fù)合鍍層中PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖1 PTFE濃度對(duì)復(fù)合鍍層中PTFE含量的影響Fig.1 Effect of PTFE concentration on mass fraction of PTFE in composite coatings

圖1示出PTFE濃度對(duì)復(fù)合鍍層中PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。由圖1 可知，PTFE 濃度變化對(duì)復(fù)合鍍層中PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定的影響。隨著PTFE 濃度從5 mL/L增加到20 mL/L，PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)地從1.72%升高到3.19%。其原因是溶液中PTFE濃度越高，處于懸浮狀態(tài)的PTFE 必然越多。因此，單位時(shí)間內(nèi)越來(lái)越多的PTFE 通過(guò)攪拌被輸送到沉積面，并發(fā)生弱吸附。隨著Ni-Mo-P鍍層持續(xù)沉積，將吸附的PTFE 俘獲，從而使復(fù)合鍍層中PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之升高。但當(dāng)PTFE 濃度超過(guò)20 mL/L，隨著PTFE 濃度繼續(xù)增加，PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。這表明PTFE 濃度并非越高越好，而是存在最優(yōu)值。PTFE濃度過(guò)高時(shí)，由于溶液太黏稠會(huì)阻礙鎳離子和次磷酸根離子自由擴(kuò)散［8］，從而影響PTFE 與Ni-Mo-P鍍層共沉積，所以復(fù)合鍍層中PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。

2.2 PTFE濃度對(duì)復(fù)合鍍層形貌及化學(xué)成分的影響

圖2顯示了不同PTFE濃度下復(fù)合鍍層的形貌。從圖2中看出，不同PTFE濃度下復(fù)合鍍層的形貌特征存在相似之處，例如：所有的復(fù)合鍍層表面都有彌散分布的凸起胞狀物，且沿著胞狀物輪廓有基本呈橫向延伸的條紋。不同PTFE 濃度下復(fù)合鍍層的形貌特征同樣也存在差異，當(dāng)PTFE 濃度為5 mL/L 和10 mL/L時(shí)，復(fù)合鍍層C1和復(fù)合鍍層C2表面較為粗糙。當(dāng)PTFE 濃度為15 mL/L 和20 mL/L 時(shí)，復(fù)合鍍層C3 和復(fù)合鍍層C4 的平整度與復(fù)合鍍層C1 和復(fù)合鍍層C2 相比明顯改善。但當(dāng)PTFE 濃度分別為25 mL/L 和30 mL/L 時(shí)，復(fù)合鍍層C5 和復(fù)合鍍層C6表面又變得粗糙，平整度有所下降。這表明在一定范圍內(nèi)PTFE 濃度增加可以改善復(fù)合鍍層形貌，原因可能是PTFE 濃度增加促進(jìn)了結(jié)晶形核，增加了形核率，從而提高復(fù)合鍍層平整度。

圖2 不同PTFE濃度下復(fù)合鍍層的形貌Fig.2 Morphology of composite coatings under different PTFE concentration

所有的復(fù)合鍍層化學(xué)成分都為Ni、Mo、P、F、C和O，這表明PTFE濃度變化不會(huì)影響復(fù)合鍍層的化學(xué)成分，但影響了復(fù)合鍍層中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如圖3 所示。隨PTFE 濃度從5 mL/L 增加到20 mL/L，Ni、P、Mo 和F 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上都呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。但當(dāng)PTFE 濃度超過(guò)20 mL/L 后，隨著PTFE 濃度繼續(xù)增加，Ni、P、Mo 和F 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖3 不同PTFE 濃度下復(fù)合鍍層中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 Mass fraction of each elements composite coatings under different PTFE concentration

PTFE 濃度為20 mL/L 時(shí)，通過(guò)面掃描得到復(fù)合鍍層的能譜圖如圖4 所示。從圖4 中可以明顯地看出Ni、Mo、P、F和C的特征峰，其中Ni的特征峰強(qiáng)度最大，Mo、F 和C 的特征峰強(qiáng)度都較小，這是由于該復(fù)合鍍層中Ni 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)最高，Mo、F 和C 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低。

2.3 PTFE濃度對(duì)復(fù)合鍍層防垢性能的影響

圖5為PTFE濃度對(duì)復(fù)合鍍層生垢速率的影響。從圖5 中看出，在5～20 mL/L 的范圍內(nèi)隨著PTFE 濃度增加，生垢速率隨之減小，表明復(fù)合鍍層的防垢性能逐漸提高，這與復(fù)合鍍層中PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高有密切關(guān)系。主要原因在于，低能物質(zhì)PTFE與Ni-Mo-P 鍍層共沉積形成的Ni-Mo-P/PTFE 復(fù)合鍍層屬于低表面能涂層，難溶性金屬鹽很難從該復(fù)合鍍層表面獲得足夠的能量以晶體形式沉積，即污垢沉積在該復(fù)合鍍層表面沉積較為困難［9-11］。隨著復(fù)合鍍層中PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，復(fù)合鍍層表面能逐漸減小，從而減緩了污垢沉積，表現(xiàn)為生垢速率減小。其中，PTFE 濃度為20 mL/L 時(shí)，復(fù)合鍍層C4具有相對(duì)較好的防垢性能。

圖4 PTFE濃度為20 mL/L時(shí)復(fù)合鍍層的能譜圖Fig.4 Energy spectra of the composite coating with PTFE concentration of 20 mL/L

但在20～30 mL/L 的范圍內(nèi)隨著PTFE 濃度增加，生垢速率隨之增大，表明復(fù)合鍍層的防垢性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于復(fù)合鍍層中PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降使得復(fù)合鍍層表面能增大［12］，對(duì)污垢沉積的阻礙作用減弱。

圖5 PTFE濃度對(duì)復(fù)合鍍層生垢速率的影響Fig.5 Effect of PTFE concentration on fouling rate of composite coatings

當(dāng)復(fù)合鍍層在模擬硬水中浸24 h 后，不同復(fù)合鍍層的表面都檢測(cè)到Ni、Mo、P、F、C、O和Ca、Mg等元素。其中，Ni、Mo、P、F 和C 是復(fù)合鍍層的特征性元素，而Ca、Mg 等為沉積在復(fù)合鍍層表面的污垢主要成分。如圖6所示，復(fù)合鍍層C4表面Ca、Mg和O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，依次為0.43%、0.35%、4.09%，這是由于沉積在復(fù)合鍍層C4表面的污垢較少，說(shuō)明復(fù)合鍍層C4具有相對(duì)較好的防垢性能。

圖6 沉積在不同復(fù)合鍍層表面的污垢主要成分Fig.6 Major composition of fouling deposited on the surface of different composite coatings

圖7 示出復(fù)合鍍層C2、C4 和C6 在模擬硬水中浸泡24 h 后的形貌。從圖7 可以看出，PTFE 濃度分別為10 mL/L和30 mL/L時(shí)，沉積在復(fù)合鍍層C2、復(fù)合鍍層C6 表面的污垢較多且較為集中。而PTFE濃度為20 mL/L 時(shí)，沉積在復(fù)合鍍層C4 表面的污垢較少，呈稀疏分布。進(jìn)一步比較觀察證實(shí)，PTFE 濃度為20 mL/L 時(shí)，復(fù)合鍍層C4 具有相對(duì)較好的防垢性能。

圖7 不同復(fù)合鍍層在模擬硬水中浸24 h后的形貌Fig.7 Morphology of different composite coatings immersed in simulated hard water for 24 h

3 結(jié)論

（1）PTFE 濃度對(duì)電廠冷卻水管常用的20#鋼表面Ni-Mo-P/PTFE 鍍層的形貌和防垢性能都有一定的影響。不同PTFE 濃度下復(fù)合鍍層的形貌特征既存在相似之處也存在差異，復(fù)合鍍層的生垢速率以及在模擬硬水中浸24 h后的形貌也有所不同。

（2）在一定的范圍內(nèi)PTFE 濃度增加可以改善復(fù)合鍍層形貌，提高復(fù)合鍍層平整度，使復(fù)合鍍層的生垢速率減小，防垢性能逐漸提高。當(dāng)PTFE 濃度為20 mL/L 時(shí)，復(fù)合鍍層表面較為平整，PTFE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.19%，具有相對(duì)較好的防垢性能。