馮婧(廣東科技學(xué)院 機(jī)電工程系 廣東 東莞 523083)

換熱設(shè)備結(jié)垢是一種極為普遍的現(xiàn)象，由于污垢的附著增厚導(dǎo)致總傳熱系數(shù)顯著降低，使換熱設(shè)備不能發(fā)揮設(shè)定的性能，而必須抑制污垢的附著或者將其除去[1]。科技界采取了各種各樣的方法和措施來(lái)防止和消除污垢，Zhao和Wang等[2]人在研究中發(fā)現(xiàn)降低材料的表面能有助于減少水中的污垢在材料表面的依附。聚四氟乙烯(PTFE)是一種具有低表面能以及較高疏水性的材料[3，4]，但PTFE本身的熱導(dǎo)率低，如果大面積的使用，將降低換熱器的換熱效率，采用化學(xué)復(fù)合鍍的方法，將PTFE以彌散分布的形式鍍覆在換熱器表面，使得基質(zhì)金屬與PTFE固體顆粒之間基本上不發(fā)生相互作用，從而得到金屬基的復(fù)合鍍層，該鍍層既有良好的導(dǎo)熱性能，同時(shí)又具有較低的表面能，對(duì)成垢晶核的吸附能力較差，不利于垢的沉積與聚集。

本文利用化學(xué)復(fù)合鍍的方法，在紫銅表面鍍覆Ni-P-PTFE，研究分析了表面活性劑含量、溫度條件以及攪拌速度對(duì)鍍層中PTFE含量的影響。

一、實(shí)驗(yàn)方法

1.實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

DF—101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（工作電壓220V/50HZ，無(wú)級(jí)調(diào)速0～2600r/min，室溫-400℃）；S-3400N掃描電子顯微鏡（加速電壓0.3～30kV，放大倍率5～300000，分辨率3.0～10.0nm）；燒杯；尼龍細(xì)線；精密pH值試紙等。

2.實(shí)驗(yàn)方案

本文采用一組比較成熟的化學(xué)鍍Ni-P配方[5]，作為化學(xué)復(fù)合鍍的基礎(chǔ)鍍液，其鍍液成分和含量見(jiàn)表1。在工藝參數(shù)pH 4.8；裝載量0.6dm2/L；施鍍時(shí)間1h確定的條件下，分別改變表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的含量、溫度條件以及攪拌速度，其工藝參數(shù)見(jiàn)表2。鍍層基體用材為30mm×10mm×0.5mm紫銅材料。

表1 基礎(chǔ)鍍液配方Tab.1 Bath composition for Ni-P-PTFE electroless composite plating

表2 Ni-P-PTFE化學(xué)復(fù)合鍍實(shí)驗(yàn)工藝Tab.2 Technological parameters for Ni-P-PTFE electroless composite plating

3.測(cè)試方法

鍍后試樣采用掃描電鏡測(cè)定鍍層中F的含量，PTFE的分子式為(C2F4)n，其F在PTFE中所占的質(zhì)量百分比為75.98%，由此可以推算出鍍層中PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.表面活性劑含量對(duì)鍍層中PTFE含量的影響

陽(yáng)離子表面活性劑CTAB的含量對(duì)鍍層中PTFE含量的影響如圖1所示，可以看出，隨著表面活性劑含量的增大，鍍層中PTFE含量先增大后減小。在活性劑含量為0.6g/L時(shí)，鍍層中PEFE含量最大為2.67wt%。這主要是因?yàn)楫?dāng)活性劑含量太少時(shí)，未能使鍍液中的PTFE粒子帶上足夠的正電荷，致使PTFE粒子輕微聚集，得到的鍍層微粒含量較少；當(dāng)加入活性劑到達(dá)一定量后，有利于PTFE微粒的懸浮和分散，同時(shí)也使微粒和試樣表面間的靜電引力增加，由此增加了微粒的沉積量；但當(dāng)繼續(xù)加入活性劑時(shí)，鍍層中PTFE含量反而減少，這是由于過(guò)多的表面活性劑被鍍件表面吸附所致，減少了鍍件活性面積的原因。

圖1 表面活性劑含量對(duì)鍍層中PTFE含量的影響Fig.1 Effect of surfactants concentration on PTFE contentin the coating

2.溫度對(duì)鍍層中PTFE含量的影響

圖2為溫度對(duì)鍍層中PTFE含量的影響，從圖中可以看出，隨著溫度的升高，PTFE含量起始階段呈上升趨勢(shì)，當(dāng)溫度升到85℃時(shí)，PTFE含量達(dá)到最大值7.26wt%，隨著溫度的繼續(xù)增加，PTFE含量開(kāi)始下降。分析認(rèn)為：隨著溫度升高，鎳和磷的生成反應(yīng)加快，鎳和磷原子的快速沉積會(huì)鑲嵌更多的PTFE粒子；同時(shí)，溫度升高使PTFE粒子活性增加，使粒子的布朗運(yùn)動(dòng)加劇，使其與鍍件表面的碰撞幾率增大，從而吸附在鍍件表面的PTFE粒子增多，也會(huì)使鍍層中PTFE粒子含量增多。但當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，粒子停留在試樣表面的時(shí)間變短，已附著的粒子還沒(méi)有被鑲嵌之前就又會(huì)脫離試樣表面，導(dǎo)致鍍層中的PTFE粒子含量隨著施鍍溫度的升高反而下降。

圖2 溫度對(duì)鍍層中PTFE含量的影響Fig.2 Effect of temperature on PTFE contentin the coating

3.攪拌速度對(duì)鍍層中PTFE含量的影響

圖3是攪拌速度對(duì)復(fù)合鍍層中PTFE粒子含量的影響規(guī)律。從圖中可以看出，當(dāng)攪拌速度小于433r/min時(shí)，加快攪拌速度會(huì)增加鍍層中PTFE含量，而當(dāng)攪拌速度大于433r/min以后，加快攪拌速度反而會(huì)使鍍層中PTFE含量降低，特別是當(dāng)攪拌速度為1300r/min時(shí)，鍍層中PTFE粒子的量已經(jīng)很少了。

隨著攪拌速度的增加，粒子向表面輸送的數(shù)量不斷增加，鍍層中粒子的數(shù)量相應(yīng)地增加。但是當(dāng)攪拌速度過(guò)高時(shí)，粒子隨著鍍液一起流動(dòng)的速度也會(huì)很大，液流對(duì)施鍍表面的沖擊力將會(huì)很大，不但使粒子難以穩(wěn)定的停留在表面上，更嚴(yán)重的是使已經(jīng)粘附在施鍍表面的粒子脫落，重新回到鍍液中。攪拌所產(chǎn)生的這兩種現(xiàn)象是一對(duì)相互作用的、矛盾的因素，它們的綜合作用結(jié)果是鍍層中粒子含量隨著攪拌速度的增加先增加后減小，最后當(dāng)攪拌速度超過(guò)某一值后，施鍍過(guò)程將難以維持，導(dǎo)致施鍍失敗。

圖3 攪拌速度對(duì)鍍層中PTFE含量的影響Fig.3 Effect of stirring speed on PTFE contentin the coating

結(jié)論

鍍層中PTFE含量隨表面活性劑含量的增加先增大后減小，在活性劑濃度為0.6g/L時(shí)，鍍層PTFE含量達(dá)到最大值；溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)使鍍層中PTFE含量減小；攪拌速度為433r/min時(shí)，鍍層中PTFE含量最大，減慢和加快攪拌速度，都不利于鍍層中PTFE粒子的吸附。

[1]張少峰，劉燕.換熱設(shè)備防除垢技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：2.

[2]Zhao Q，Wang S，Muller-Steinhagen H.Tailored surface free energy of membrane diffusers to minimize microbial adhesion[J].Ap?plied Surface Science，2004，230(1-4)：371–378.

[3]Hadley J S，Harland L E.Electroless Nickel/PTFE composite coatings[J].Metal Finishing，1987，85(12)：51–53.

[4]Zhao Q，Liu Y，Muller-Steinhagen H，etal.Graded Ni-P-PT?FE coatings and their potential applications[J].Surface and Coatings Technology，2002，155(2-3)：279–284.

[5]姜曉霞，沈偉.化學(xué)鍍理論及實(shí)踐[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000：26-98.