一种石墨烯掺杂换热器管束涂料及其制备方法与流程

本发明涉及涂料技术领域，特别涉及一种石墨烯掺杂换热器管束涂料及其制备方法。

背景技术：

在化学工业、石油工业和冶金工业等生产过程中，常需要通过工业冷却水将热工艺介质进行冷却，换热器是冷却步骤中的关键设备之一，工业冷却水通过换热器与工艺介质间接换热，以达到将热工艺介质冷却目的。

换热器在使用过程中容易出现高温腐蚀、酸蚀、磨损等问题；并且由于工业冷却水中含有大量的钙镁无机盐、微生物、霉菌，导致换热器管束产生腐蚀和结垢，从而影响换热器的换热效率，缩短其使用寿命，每年因换热器腐蚀和结垢问题而导致的生产事故不计其数，造成了巨大的经济损失。

目前换热器使用最为广泛、性价比较高的制作材料为碳钢，所以针对碳钢材质的换热器管束防腐至关重要；并且在换热器清扫期间，需用使用高温高压蒸汽对换热器管束进行长时间吹扫，吹扫的工作温度通常在200-300℃、蒸汽压力为4-8kg；普通环氧树脂耐温均小于100℃无法满足需求，申请号为201410598636.0的中国专利公开了一种环氧树脂-氧化石墨烯复合涂料及其使用方法，其主要原料包括环氧树脂和氧化石墨烯；但该专利中的涂料疏水性差，耐温性差，不能满足换热器200-300℃高温吹扫的要求，市场上急需一种耐高温高压蒸汽吹扫、具有良好减阻防垢性和导热性能的涂料。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中提到的问题，本发明提供一种石墨烯掺杂换热器管束涂料及其制备方法，一种石墨烯掺杂换热器管束涂料，所述涂料由以下质量份数配比的原料制得：

甲组分包括：混合树脂35-50份、石墨烯分散体1.2-8份、填料30-50份、偶联剂0.2-2份、触变剂0.5-3份、消泡剂0.1-0.5份、溶剂10-30份；

乙组分包括：混合固化剂；

所述混合树脂为酚醛环氧树脂和环氧改性有机硅树脂混合树脂；；

乙组分总质量占甲组分总质量的5％-15％。

进一步地，所述涂料由以下质量份数配比的原料制得：

甲组分包括：混合树脂37-45份、石墨烯分散体2-6份、填料35-45份、偶联剂0.8-1.5份、触变剂1-2份、消泡剂0.2-0.4份、溶剂15-25份；

乙组分包括：混合固化；

所述混合树脂为酚醛环氧树脂和环氧改性有机硅树脂混合树脂；

乙组分总质量占甲组分总质量的8％-12％。

进一步地，所述酚醛环氧树脂与环氧改性有机硅树脂的固含量比为1:1-3:1。

进一步地，所述石墨烯分散体总质量占混合树脂固含量的5％-20％。

进一步地，所述混合固化剂由改性脂环胺固化剂和酚醛胺固化剂混合而成；所述改性脂环胺固化剂和酚醛胺固化剂的质量比为1:1-5:1。

进一步地，所述触变剂为聚酰胺蜡、聚乙烯蜡、有机膨润土和气相二氧化硅中的至少一种。

进一步地，所述填料为滑石粉、三聚磷酸铝、磷铁粉、重晶石粉、绢云母和铝粉浆中的至少一种；所述偶联剂为硅烷偶联剂。

进一步地，所述溶剂为二甲苯、正丁醇、丁内酯和环氧氯丙烷中的至少一种。

本发明提供一种石墨烯掺杂换热器管束涂料，通过酚醛环氧树脂、环氧改性有机硅树脂和石墨烯分散体三者协同作用使涂料具有耐腐蚀性、疏水性和耐高温高压蒸汽吹扫等，将本发明提供的涂料涂覆于换热器管束内，能够增加其防腐性能、减少管道中水垢的产生、大大提高传热性能，同时，在高温高压蒸汽吹扫条件下，仍具有优异的附着力，不起泡、不脱落，延长了换热器的使用寿命，减少企业维护维修成本。

本发明另外提供一种石墨烯掺杂换热器管束涂料制备方法，所述制备方法具体包括：

步骤一、将所述混合树脂、石墨烯分散体和偶联剂加入搅拌机，以500-1000rpm转速搅拌0.5-1h；

步骤二、将分散剂、填料、触变剂、溶剂加入搅拌机中，以2000-3000rpm转速搅拌0.5-1.5h；

步骤三、再向搅拌机中加入填料、消泡剂、溶剂、混合固化剂，以500-1000rpm转速搅拌0.5-1h；

步骤四、搅拌均匀后室温固化得到所述涂料。

进一步地，所述分散剂为带酸性基团的共聚物。

本发明另外提供的石墨烯掺杂换热器管束涂料制备方法，工艺简洁，通过上述制备方法制造出的石墨烯掺杂换热器管束涂料，具有耐腐蚀性、疏水性和耐高温性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的石墨烯掺杂换热器管束涂料经8kg蒸汽吹扫后涂层接触角示意图；

图2为未经蒸汽吹扫的涂层接触角示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下通过实施例对本发明进行进一步说明，表1为本发明提供的5个优选实施例的甲组份、乙组分：

表1

本发明提供的石墨烯掺杂换热器管束涂料各个实施例测试技术指标及其效果如表2所示：

表2

本发明提供对比例1，采用酚醛环氧树脂作为涂料涂层进行测试，其涂层附着力为6.5mpa；柔韧性测试结果为2mm；耐冲击性测试结果为48cm；表干时间为6h，实干时间为27h；耐酸性和耐碱性测试结果均为30d起泡、脱落；耐水性测试结果为3m起泡、脱落；经4-8kg蒸汽吹扫后，6h脱落、出现裂纹；其接触角测试结果为80°；导热系数为33w/(m·k)。

本发明提供的涂料性能指标及其标准如表3所示：

表3

注：30d为30天；3m为3个月；6h为6小时。

以上各组实施例均采用本发明提供的石墨烯掺杂换热器管束涂料制备方法制得；

各个对比例与实施例的原料均为相同品牌、相同系列产品，并且具有相同的实验环境和实验条件；

上述各个实施例中：

酚醛环氧树脂的环氧值为0.56-0.58mol/100克，其固含量为100％；

环氧改性有机硅树脂的环氧值为0.03-0.08mol/100克，其固含量为50％；

石墨烯分散体的尺寸为1-100μm,厚度为1-2nm，其固含量为10％；

改性脂环胺固化剂粘度为100-600mpa·s，胺值为300-400mgkoh/g；

酚醛胺固化剂粘度为800-2000mpa·s，胺值为400-600mgkoh/g；

偶联剂为γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷偶联剂，商品名为kh560。

如表1所示，实施例1、实施例2和实施例3中酚醛环氧树脂与环氧改性有机硅树脂的质量比分别为10:20、20:20、30:20；由酚醛环氧树脂的固含量为100％，环氧改性有机硅树脂的固含量为50％可以得出，酚醛环氧树脂与环氧改性有机硅树脂的固含量比分别为1:1、2:1、3:1；石墨烯分散体总质量分别占混合树脂固含量的6.5％、10％、20％；改性脂环胺固化剂和酚醛胺固化剂的质量比分别为2:1、3:1、4.8:1。

如表2所示，实施例1、实施例2和实施例3中的涂料性能指标均达到标准，具有良好的耐腐蚀性、疏水性和耐高温高压蒸汽吹扫。

对比实施例1与对比例1，实施例1中的涂料涂层具有良好的耐腐蚀性、疏水性和耐高温高压蒸汽吹扫，而对比例1中涂层的各项测试指标均达不到测试标准。由此可见，为使涂料涂层具有良好的耐腐蚀性、耐温性、防垢性和高温下高压条件下优异附着力，单一的酚醛环氧树脂无法全面满足其使用条件，本发明采用酚醛环氧树脂、环氧改性有机硅树脂和石墨烯分散体混合搭配的技术方案。

酚醛环氧树脂经固化形成三维网状结构，大幅提高涂层交联密度，增强涂层耐溶剂性、耐水性，使涂层具有耐腐蚀性；酚醛环氧树脂的耐热温度可达200℃左右，但仍不能满足换热器的耐热要求，通过环氧改性有机硅树脂与酚醛环氧树脂协同作用，提高了混合树脂的玻璃化转变温度和耐热温度；并且，环氧改性有机硅树脂具有地表面能的特点，可以起到的疏水作用，防止水垢沉积；

石墨烯分散体具有优异的散热性能和耐温性，膨胀系数低，高温条件下性能稳定，可提升涂层的耐热性和导热性能；石墨烯分散体具有特殊的二维片层状结构、低密度和高径厚比，对水分子、氧气和离子有很好的稳定性和物理屏蔽性，用于涂料中的填料时，可以像片状填料一样，增加腐蚀介质在涂层中的渗透路程，使有机涂层的物理屏蔽性能更好，尤其对水分子的屏蔽性极强；并且由于石墨烯分散体表面带有大量羟基、羧基等官能团，可与碳钢基材发生化学键合，使涂层对碳钢基材在高温高压下仍具有优异的附着力不起泡、不脱落；并且，石墨烯分散体提升了涂料漆膜的接触角，有效阻止水蒸气对涂层内部的渗透，使涂层具有优异的疏水性能。酚醛环氧树脂、环氧改性有机硅树脂和石墨烯分散体三者协同作用使涂料兼具耐腐蚀性、耐温性和疏水性能。

酚醛环氧树脂和环氧改性有机硅树脂混合体系机械性能较差，采用低分子量的改性脂环胺作为固化剂可改善涂料漆膜的机械性，提高交联密度，但其干燥时间较慢，采用酚醛胺类固化剂与之复配，可加快固化时间，并且提升了涂料漆膜的整体耐温性能，改性脂环胺固化剂和酚醛胺固化剂质量比的合理配比范围为1:1-5:1；进一步地，改性脂环胺固化剂和酚醛胺固化剂质量比的最佳配比范围为2:1-4:1，混合固化剂采用此配比范围能使涂料漆膜的机械性和耐温性能最佳，并且，由表2可知，采用本发明提供的改性脂环胺固化剂和酚醛胺固化剂作为混合固化剂的实施例1、实施例2和实施例3，其干燥时间明显短于测试标准的4h和24h,大大加快了固化效率。

如表1所示，实施例4和实施例5中石墨烯分散体总质量占混合树脂固含量的4％(低于5％)、25％(高于20％)，如表2所示，实施例4和实施例5中涂料的耐酸性、耐碱性以及耐水性测试结果均达不到测试标准；由此可见，石墨烯分散体的加入虽然能够提升涂料漆膜的接触角，增加涂层表面疏水性，使换热器管束内的冷却水在涂层表面达到无残留效果，有效降低了管束内水垢的产生几率，增加涂层导热效率，使换热器具保持优异的传热性。但石墨烯分散体在涂料中的添加量和树脂的混合比例又至关重要，石墨烯分散体添加量少，无法体现出其应用效果，添加量多涂层整体性能反而下降，综合换热器涂料各项使用条件，酚醛环氧树脂与环氧改性有机硅树脂的质量的最佳配比比例范围为1:1-3:1，石墨烯分散体总质量添加范围为混合树脂固含量的5％-20％。

对比实施例1中未经蒸汽吹扫涂层接触角(如图2所示)与经8kg蒸汽吹扫后涂层接触角(如图1所示)，未经蒸汽吹扫涂层接触角为110.7°，经8kg蒸汽吹扫后涂层接触角为101.5°，吹扫后的接触角仍大于100°，可见涂料涂层在经过高温吹扫后，表面形变小，保持了良好的疏水性，其耐高温吹扫性能稳定。

一种石墨烯掺杂换热器管束涂料，通过酚醛环氧树脂、环氧改性有机硅树脂和石墨烯分散体三者协同作用使涂料具有耐腐蚀性、疏水性和耐高温高压蒸汽吹扫等。本发明提供的石墨烯掺杂换热器管束涂料，可应用于换热器管束内，增加其防腐性能、减少管道中水垢的产生、大大提高传热性能，同时，在高温高压蒸汽吹条件下，仍具有优异的附着力，不起泡、不脱落，延长了换热器的使用寿命，减少企业维护维修成本。

本发明另外提供的石墨烯掺杂换热器管束涂料制备方法，制备出的石墨烯掺杂换热器管束涂料，具有耐腐蚀性、疏水性和耐高温高压蒸汽吹扫等，将此涂层用于换热器管束内防腐，大大提高了换热器传热性能，减少管道中水垢的产生，同时，在高温高压蒸汽吹条件下，仍具有优异的附着力，不起泡、不脱落，延长换热器的使用寿命，减少企业维护维修成本。

尽管本文中较多的使用了诸如石墨烯分散体、酚醛环氧树脂、环氧改性有机硅树脂、偶联剂、触变剂、消泡剂、改性脂环胺固化剂和酚醛胺固化剂等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。