氧化銅-氟硅低聚物納米復合多功能傳熱表面的制備及性能研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，化工、食品制造、電子、海水淡化、核工業(yè)和能源等各個工業(yè)部門對防治換熱器表面腐蝕和結垢的問題提出了越來越高的要求，原有的以環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂為基礎的換熱器多功能涂料為實現(xiàn)換熱器表面耐腐蝕性能、抑制污垢沉積和高熱導率等多功能的耦合，需要多次多層涂覆以滿足其多功能性的實現(xiàn)，不僅施工工藝復雜，而且難以修復，無法滿足實際使用的要求。本論文以溶膠-凝膠法制備的無機金屬氧化物/陶瓷復合材料和自由基溶液聚合含氟硅共聚物為基礎，開

2、展了材料合成、形態(tài)結構表征和表面功能改性的系統(tǒng)研究。嘗試開發(fā)出一種可以一次性在換熱器表面涂裝，功能層自動分層，具有耐腐蝕、抑制污垢和高熱導率的多功能復合材料。具體地說，主要在以下幾個方面開展了探索性的研究工作。 (1)通過溶膠-凝膠工藝制備了CuO/SiO2和NiO/SiO2納米復相陶瓷涂層。研究表明，高熱導率的彌散相納米氧化物粒子包埋于氧化硅矩陣中，形成類內晶型結構，可以引起裂紋橋連、釘扎、偏轉等納米復相強韌化效應，從而減輕矩

3、陣界面殘余應力，控制陶瓷固有的裂紋，減少陶瓷材料的結構缺陷，顯著提高納米復合陶瓷涂層的耐腐蝕性能和導熱性能。對比實驗表明，添加的納米粒子本身的物理化學性質對于納米復合陶瓷涂層耐腐蝕性能和導熱性能的提高同樣有著至關重要的影響。 (2)分別采用Cu(NO3)2·3H2O和Cu(C5H7O2)2(Cu(acac)2)為金屬醇鹽制備了具有不同CuO含量的SCuN和SCuC系列CuOX/SiO2納米復合材料。隨著氧化銅加量的增加，SCuN

4、和SCuC系列復合材料中納米氧化銅分別存在從氧化銅納米球到納米棒(SCuN系列)以及從氧化銅納米球到方形結構(SCuC系列)的晶形轉變。同時，隨著氧化銅加量的增加，形成的納米粒子的尺寸增加，導致植入粒子和硅陶瓷矩陣之間的熱擴散失配增大，從而擴大了微裂紋的尺寸以及微裂紋的數(shù)量，導致復合涂層的缺陷增多。低的彌散相納米粒子的添加量、低團聚和高度分散是溶膠-凝膠工藝制備結構致密、缺陷更少的納米復合材料的關鍵因素，更有利于提高其耐蝕能力。此外，納

5、米粒子含量以及粒子尺寸大小對納米復合涂層熱導率的提高也有著重要的影響。 (3)采用自由基溶液聚合與溶膠-凝膠法相結合的方法制備了可以自動分層的含氟高分子/SiO2雜化疏水材料。疏水的含氟烷基由于其極大的表面活性自動向表面富集，定向于空氣形成界面層，具有極低的表面能；柔性的碳氫主鏈可以有效緩解應力集聚，減少涂層缺陷；底層為硅氧網(wǎng)絡結構，與基體材料有極強的結合力。溶劑性質及其加量可以極大地影響氟硅低聚物的結構，以及表面含氟基團的富集

6、程度。采用良溶劑制備的低聚物大分子結構呈現(xiàn)更蓬松舒展的無規(guī)線團態(tài)，使含氟側鏈更容易遷移到溶液/空氣界面，疏水性能更好。隨著溶劑加量的增加，溶液分散性更好，形成的聚合物分子量降低，從而使含氟側鏈向表面的遷移速度更快，氟硅氧烷聚合物表面疏水性能更好。無機組分的增加將促進溶膠的水解和縮聚的程度，提高聚合物的分子量，增加底層硅氧網(wǎng)絡的厚度，增強雜化材料與基體材料的結合強度，提高氟硅氧烷雜化材料的耐腐蝕和耐久性能，對氟硅氧烷雜化材料表面疏水性能影

7、響不大。 (4)通過銅金屬鹽，TEOS與氟硅低聚物溶液共水解縮聚制備了具有含氟側基的碳碳主鏈高分子和硅氧網(wǎng)絡的氧化銅/氟硅低聚物納米復合低表面能材料。結果表明，納米復合低表面能材料改性處理表面具有優(yōu)異的耐腐蝕性能；優(yōu)異的抗介質滲透性能；與基體有良好的附著力；顯著的防垢效果；良好的熱傳導性。引入的氧化銅納米粒子主要是包埋于底層硅氧網(wǎng)絡結構內部，完善底層硅氧網(wǎng)絡結構，提高其耐腐蝕性能和熱導率，對于納米復合雜化材料的疏水性能影響不大。