氧化銅-氟硅低聚物納米復(fù)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(jié)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(chǔ)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(dǎo)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(fù)雜，而且難以修復(fù)，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(fù)合材料和自由基溶液聚合含氟硅共聚物為基礎(chǔ)，開

2、展了材料合成、形態(tài)結(jié)構(gòu)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(dǎo)率的多功能復(fù)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(fù)相陶瓷涂層。研究表明，高熱導(dǎo)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(nèi)晶型結(jié)構(gòu)，可以引起裂紋橋連、釘扎、偏轉(zhuǎn)等納米復(fù)相強韌化效應(yīng)，從而減輕矩

3、陣界面殘余應(yīng)力，控制陶瓷固有的裂紋，減少陶瓷材料的結(jié)構(gòu)缺陷，顯著提高納米復(fù)合陶瓷涂層的耐腐蝕性能和導(dǎo)熱性能。對比實驗表明，添加的納米粒子本身的物理化學(xué)性質(zhì)對于納米復(fù)合陶瓷涂層耐腐蝕性能和導(dǎo)熱性能的提高同樣有著至關(guān)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(fù)合材料。隨著氧化銅加量的增加，SCuN

4、和SCuC系列復(fù)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(jié)構(gòu)(SCuC系列)的晶形轉(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)致復(fù)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(jié)構(gòu)致密、缺陷更少的納米復(fù)合材料的關(guān)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(fù)合涂層熱導(dǎo)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(jié)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(yīng)力集聚，減少涂層缺陷；底層為硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與基體材料有極強的結(jié)合力。溶劑性質(zhì)及其加量可以極大地影響氟硅低聚物的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)呈現(xiàn)更蓬松舒展的無規(guī)線團態(tài)，使含氟側(cè)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(cè)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(luò)的厚度，增強雜化材料與基體材料的結(jié)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(cè)基的碳碳主鏈高分子和硅氧網(wǎng)絡(luò)的氧化銅/氟硅低聚物納米復(fù)合低表面能材料。結(jié)果表明，納米復(fù)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(zhì)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(dǎo)性。引入的氧化銅納米粒子主要是包埋于底層硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，完善底層硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高其耐腐蝕性能和熱導(dǎo)率，對于納米復(fù)合雜化材料的疏水性能影響不大。