Способ нанесения покрытия из политетрафторэтилена на теплообменные элементы

Изобретение относится к способам получения защитных покрытий на металлических поверхностях. Описан способ нанесения покрытия из политетрафторэтилена на теплообменные элементы, заключающийся в том, что обезжиривают поверхность теплообменного элемента, высушивают его, затем формируют защитный слой за счет механического натирания поверхности теплообменного элемента, по крайней мере, в двух направлениях, порошкообразным политетрафторэтиленом с размером частиц до 2 мкм, после чего производят отжиг при температуре 240 - 260°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена. Технический результат - повышение антиадгезионных свойств теплообменных элементов. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к способам получения защитных покрытий на металлических поверхностях и может найти применение для защиты изделий и конструкций, контактирующих со средой, содержащей коррозионно-активные ионы, например, в химическом производстве, в пищевой промышленности, в условиях морского климата и т.п.

Широко известен политетрафторэтилен (тефлон, фторопласт, фторлон) - синтетический полимер, продукт полимеризации тетрафторэтилена, твердое вещество белого цвета. В политетрафторэтилене к углеродному скелету присоединяются лишь атомы фтора, а связь фтор-углерод - одна из самых прочных, поэтому полимер обладает сочетанием уникальных химических и физических свойств, которые невозможно найти ни в каком другом материале.

Благодаря высокой тепло-, морозо- и химической стойкости, антифрикционным, антиадгезионным и исключительным диэлектрическим свойствам фторопласт-4 широко применяется как антикоррозионный материал в химической промышленности для изготовления аппаратов, элементов ректификационных колонн, теплообменников, насосов, труб, клапанов, облицовочной плитки, сальниковых набивок и др.

Известен способ модификации поверхности металлов и придания ей функциональных свойств путем нанесения супергидрофобного композитного покрытия с помощью электрохимического осаждения, включающий приготовление водной суспензии, содержащей гранулы политетрафторэтилена (ПТФЭ), цетил триметиламмоний бромид и фторуглеродное неионогенное поверхностно-активное вещество (ПАВ) FC-4430, получение смешанного электролита путем внесения приготовленной суспензии в электролит никелирования при тщательном размешивании и проведение электрофореза-электроосаждения в смешанном электролите без его размешивания в течение 10-15 мин, с использованием в качестве катода проводящей поверхности металла, а анода никелевой пластины. Далее в соответствии со способом прекращают процесс электрофореза-электроосаждения, размешивают электролит в течение 1-2 мин, возобновляют процесс и продолжают его без перерывов до достижения необходимой толщины покрытия. Промывают и сушат сформированное покрытие, нагревают его при температуре 260-300°C в течение 30-60 мин и охлаждают при комнатной температуре(заявка Китая №103526268, МПК C25D15/02; C25D5/50 (2006.01), 2014 г.).

Недостатком данного способа является сложность его воплощения. При этом покрытия, полученные известным способом, обнаруживают недостаточно высокую адгезивную прочность, заметно ухудшающуюся с течением времени.

Известен способ получения на алюминии и его сплавах защитных антикоррозионных износостойких покрытий, включающий анодное окисление с использованием пульсирующего постоянного либо переменного тока плотностью до 0,05 А/см² при максимальном значении напряжения 450-500 В (эффективное значение напряжения 75-130 В) в водных электролитах, содержащих растворы и дисперсии фторидов и оксифторидов преимущественно титана и/или циркония, с получением защитного слоя керамики толщиной 3-6 мкм, содержащего оксиды Ti и Zr, термическое напыление промежуточного оксидного слоя и последующее нанесение политетрафторэтилена либо силикона с получением второго защитного слоя толщиной 10-15 мкм (см. патент США №7820300, МПК B32B3/10; C25D11/02; C25D11/04; C25D11/06; C25D11/30 (2006.01), 2010 г.).

Недостатком известного способа является сложность осуществления, обусловленная его многостадийностью, а также необходимость самостоятельного подбора в каждом конкретном случае метода нанесения ПТФЭ.

Известен способ формирования обладающего достаточно высокой адгезией и продолжительностью срока службы покрытия со смазывающими свойствами, включающий формирование анодной пленки на поверхности алюминия, магния либо их сплавов, ее последующую электрохимическую либо химическую обработку водной дисперсией, содержащей ПТФЭ и реакционноспособное ПАВ, и сушку полученной ПТФЭ пленки (см.пат. Японии №4783124, МПК C25D11/18; C25D11/20; C25D11/24 (2010.01), 2011 г.).

Недостатком известного способа является недостаточно высокая адгезия полученных покрытий к поверхности обрабатываемого металла, обусловленная низкой пористостью анодной пленки, при этом использование только сушки при отсутствии термообработки приводит к формированию очень рыхлых покрытий.

Известен способ получения защитного полимерсодержащего покрытия на поверхности изделий из металлов и сплавов, включающий плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО) металлической поверхности в электролите, содержащем растворимые соли органических и неорганических кислот, с получением слоя оксидной керамики и последующее нанесение политетрафторэтилена (ПТФЭ) с термической обработкой полученного покрытия. ПТФЭ наносят с помощью электрофореза из его водной дисперсии, дополнительно содержащей додецилсульфат натрия и ОП-10. (см. патент РФ № 2569259, МПК C25D 11/00, C25D 11/18, C25D 13/06 (2006.01), 2015 г.

Недостатком указанного способа покрытия заключается в том, что, как и все приведенные выше, способ основан на электрохимической обработке изделий.

Известен способ получения композиционных покрытий на алюминии и его сплавах, включающий электролитическое оксидирование с последующим нанесением полимерной пленки. Электролитическое оксидирование проводят в режиме микроплазменных разрядов на поверхности анода в гальваностатическом режиме, при плотности постоянного тока 0,1 1,0 А/дм2 и напряжении 190 220 В в электролите. Полимерную пленку формируют механическим натиранием порошкообразного тефлона с последующим отжигом до 280 - 340°С (см.патент РФ № 2068037, МПК 6 C25D 11/18, 1996 г.).

Недостатком данного решения является сложность предварительной подготовки для осуществления нанесения покрытия. Кроме того, натирание порошка одним слоем не дает возможности получить покрытие, обеспечивающее максимальную защиту и высокую работоспособность изделия, на которое оно наносится, т.к при отжиге теряется от 2 до 5% массового веса нанесенного порошка. Данный способ предназначен для покрытия алюминиевой посуды и создания антипригарного покрытия.

Известен способ изготовления лопатки последней ступени турбины для использования в паротурбинном двигателе, включающий: формирование лопатки паровой турбины, включающей сплав на основе титана, приложение высокого напряжения к передней кромке указанной лопатки в электролите для получения переходного слоя из оксида титана и верхнего пористого слоя и уплотнение верхнего пористого слоя материалом, выбираемым из группы, состоящей из хрома, кобальта, никеля, полиимида, политетрафторэтилена и сложного полиэфира. Причем уплотнение включает нанесение покрытия распылением, погружением или покрытие порошком полимера и отверждение (см. патент РФ № 2601674, МПК F01D 5/00, C25D 11/02, C25D 11/18, C25D 11/20, (2006.01), 2016 г.).

Недостатком данного решения является сложность предварительной подготовки для осуществления нанесения покрытия. При этом в описании и формуле не приведено сведений о там, как именно наносится порошок ПТФЭ и как осуществляют его отверждение.

Ни одно из приведенных решений не может быть принято в качестве прототипа.

Техническая проблема, решаемая изобретением, повышение антиадгезионных свойств теплообменных элементов за счет создаваемого на них покрытия, повышение ресурса работы теплообменных элементов, с нанесенным на них покрытием, снижение трудоемкости очистки теплообменных элементов.

Поставленная техническая проблема решается за счет того, что разработан способ нанесения покрытия из политетрафторэтилена на теплообменные элементы, заключающийся в том, что обезжиривают поверхность теплообменного элемента, высушивают его, затем формируют защитный слой за счет механического натирания поверхности теплообменного элемента, по крайней мере, в двух направлениях, порошкообразным политетрафторэтиленом с размером частиц до 2 мкм, после чего производят отжиг при температуре 240 - 260°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена.

Обезжиривание осуществляют любым мыльным раствором.

Сушку проводят при комнатной температуре.

Направление натирания при повторном нанесении выбирают взаимно перпендикулярным.

Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в повышении антиадгезионных свойств теплообменных элементов, а также в повышении ресурса работы теплообменных элементов, облегчении промывки и удаления накипи во время технологического обслуживания.

За счет нанесения покрытия и формирования защитного слоя из политетрафторэтилена на обезжиренной и высушенной поверхности теплообменного элемента путем механического натирания порошкообразного политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм, по крайней мере, в двух направлениях, с проведением последующего отжига при температуре 240 - 260°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена, обеспечивается получение теплообменного элемента с повышенными изностойкими и антиадгезионными качествами. Увеличивается ресурс его работы в целом, увеличивается промежуток между процедурами технического обслуживания. Теплообменный элемент с нанесенным на него по данному способу покрытием легче обслуживать, поскольку не возникает необходимости обработки с помощью кислот или механического воздействия для удаления накипи, как это обычно осуществляется.

С теплообменного элемента с нанесенным на него по данному способу покрытием накипь смывается струей воды, при этом поверхность остается неповрежденной, покрытие надежно удерживается на поверхности изделия, и его можно неоднократно использовать.

В процессе механического натирания на обезжиренную и высушенную поверхность теплообменного элемента политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм, поры и шероховатости закрываются частицами политетрафторэтилена, который проникает в них и сцепляется с поверхностью. При термической обработке под воздействием температуры от 240 до 260°С происходит оплавление частиц политетрафторэтилена и формирование на поверхности однородного защитного слоя в виде пленки, характеризующегося высокими антиадгезионными свойствами.

Снижение температуры ниже указанного предела в 240°С не позволяет частицам оплавиться и создать однородное защитное покрытие. При этом повышение температуры более чем на 260°С приводит к тому, что из политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм начинает выделяться связующий элемент - фтор. Выделение фтора из политетрафторэтилена приводит к следующим негативным последствиям:

- во-первых, к снижению качества защитного слоя,

- во-вторых, негативно сказывается на окружающей среде, требует введения оборудования для удаления паров фтора и обеспечения безопасной работы оператора.

Воздействие температурой в указанных пределах позволяет получить надежно удерживаемую на поверхности пленку, т.к. при нагреве происходит усиление сцепления политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм с материалом теплообменного элемента.

Актуальность решаемой задачи обусловлена тем, что в последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники. Они отличаются интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очисткой от загрязнений. У них рельефная поверхность, которая также, как и трубы, нуждаются в защите от налипания накипи.

Осуществление способа.

Были проведены испытания, основанные на обработке бывших в употреблении пластин теплообменников (теплообменных элементов) порошком политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм «Сухая смазка FORTOL» по описываемому способу. Для чего были проведены следующие действия:

1. Разобраны два действующих пластинчатых теплообменника.

2. Поскольку испытания проводились на теплообменных элементах, бывших в употреблении, пластины теплообменников были промыты чистящим средством (с использованием кислоты) от отложения накипи - солей кальция и магния.

3. Далее теплообменные элементы обезжирили мыльным раствором и высушили при комнатной температуре.

4. После сушки на поверхность теплообменных элементов одного теплообменника нанесли порошок политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм. Натирали поверхность сухой ветошью в одном направлении. Затем нанесли порошок политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм второй раз и натерли в направлении, перпендикулярно предыдущей обработке.

Теплообменные элементы второго теплообменника не обрабатывали.

5. Произвели отжиг теплообменных элементов, обработанных порошком политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм. Отжиг проводили с использованием следующего оборудования: Фен строительный профессиональный BOSCH GHG 660 LCD или Циркуляционная печь НК 6.6.6/3,5 И5. Отжиг проводили при разных температурных режимах. Время, в течение которого теплообменные элементы подвергали термической обработке, составило от 3 до 10 мин, в зависимости от использованного оборудования.

5.1. Часть теплообменных элементов (примерно одну четвертую часть) подвергали отжигу при температуре 240°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена в течение 10 мин. Отжиг осуществляли с использованием Циркуляционной печи НК 6.6.6/3,5 И5, в которой была выставлена температура 240°С.

5.2. Другую часть теплообменных элементов (примерно одну четвертую часть) подвергали отжигу при температуре 245°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена в течение 7 мин. Отжиг осуществляли с использованием Циркуляционной печи НК 6.6.6/3,5 И5, в которой была выставлена температура 245°С.

5.3. Третью часть теплообменных элементов подвергали отжигу при температуре 250°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена в течение 5 мин. Отжиг осуществляли с использованием Фена строительного профессионального BOSCH GHG 660 LCD, в котором была выставлена температура 250°С.

5.4. Оставшуюся четвертую часть теплообменных элементов подвергали отжигу при температуре 260°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена в течение 3 мин. Отжиг осуществляли с использованием Фена строительного профессионального BOSCH GHG 660 LCD, в котором была выставлена температура 260°С.

6. По окончании обработки теплообменных элементов пластинчатые теплообменные агрегаты были собраны и запущены параллельно в работу.

7. Через 5 месяцев работы была оценена эффективность покрытия поверхности теплообменных элементов политетрафторэтиленом с размером частиц до 2 мкм на обработанных пластинах в сравнении с необработанными пластинами. Результаты приведены в Таблице 1.

Вывод: Все теплообменные элементы, обработанные порошком политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм, при разных температурах нагрева, по сравнению с необработанными теплообменными элементами, показали следующие результаты:

1. Антиадгезионные свойства поверхности теплообменных элементов повысились примерно на 70% (данный показатель подтверждается слоем накипи, образовавшейся на поверхности теплообменных элементов).

2. В связи с этим ресурс увеличился, и время между техническим обслуживанием можно увеличивать в 2 раза.

3. Промывку (снятие накипи) с теплообменных элементов, обработанных по заявляемому способу, произвели за счет обработки теплообменных элементов под струей воды. Отпала необходимость в химической промывке, что позволяет обеспечить дополнительную защиту от коррозии.

4. Сократилось время простоя оборудования, т.к. очистку теплообменных элементов можно произвести в течение 1 дня по сравнению с 4-10 днями для необработанных ПТФЭ.

Также были проведены испытания, основанные на обработке новых теплообменных элементов порошком политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм «Сухая смазка FORTOL» по описываемому способу. Сравнение проводилось с необработанными теплообменными элементами из того же пластинчатого теплообменного агрегата.

1. Количество новых теплообменных элементов пластинчатого теплообменного агрегата, подвергнутых обработке, составило 100 шт. Эти теплообменные элементы обезжирили мыльным раствором и высушили при комнатной температуре.

2. После сушки на поверхность этих теплообменных элементов нанесли порошок политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм. Натирали поверхность сухой ветошью в одном направлении. Затем нанесли порошок политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм второй раз и натерли в направлении, перпендикулярно предыдущей обработке.

Вторую часть (123 шт.) теплообменных элементов данного теплообменника не обрабатывали.

3. Произвели отжиг теплообменных элементов, обработанных порошком политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм. Отжиг проводили с использованием следующего оборудования: Фен строительный профессиональный BOSCH GHG 660 LCD или Циркуляционная печь НК 6.6.6/3,5 И5. Отжиг проводили при разных температурных режимах. Время, в течение которого теплообменные элементы подвергали термической обработке, составило от 3 до 10 мин, в зависимости от использованного оборудования.

3.1. Часть теплообменных элементов (примерно одну четвертую часть) подвергали отжигу при температуре 240°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена в течение 10 мин. Отжиг осуществляли с использованием Циркуляционной печи НК 6.6.6/3,5 И5, в которой была выставлена температура 240°С.

3.2. Другую часть теплообменных элементов (примерно одну четвертую часть) подвергали отжигу при температуре 250°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена в течение 7 мин. Отжиг осуществляли с использованием Циркуляционной печи НК 6.6.6/3,5 И5, в которой была выставлена температура 250°С.

3.3. Третью часть теплообменных элементов подвергали отжигу при температуре 255°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена в течение 5 мин. Отжиг осуществляли с использованием Фена строительного профессионального BOSCH GHG 660 LCD, в котором была выставлена температура 255°С.

3.4. Оставшуюся четвертую часть теплообменных элементов подвергали отжигу при температуре 260°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена в течение 3 мин. Отжиг осуществляли с использованием Фена строительного профессионального BOSCH GHG 660 LCD, в котором была выставлена температура 260°С.

4. По окончании обработки был собран пластинчатый теплообменный агрегат, в котором установили как обработанные по настоящему способу теплообменные элементы, так и не обработанные. Теплообменный агрегат был запущен в работу.

5. Через полмесяца работы теплообменный агрегат был разобран, и была оценена эффективность использования способа покрытия поверхности теплообменных элементов политетрафторэтиленом с размером частиц до 2 мкм на обработанных пластинах в сравнение с необработанными пластинами.

Все теплообменные элементы, обработанные порошком политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм, при разных температурах нагрева, по сравнению с необработанными теплообменными элементами, показали следующие результаты:

1. Антиадгезионные свойства поверхности обработанных теплообменных элементов повысились примерно на 70% (данный показатель подтверждается слоем накипи, образовавшейся на поверхности теплообменных элементов).

2. В связи с этим ресурс увеличился, и время между техническим обслуживанием можно увеличивать в 2 раза.

3. Промывку (снятие накипи) теплообменных элементов, обработанных по заявляемому способу, произвели за счет обработки теплообменных элементов под струей воды. Отпала необходимость в химической промывке и механическом удалении накипи, что позволяет обеспечить дополнительную защиту от коррозии. С теплообменных элементов, не подвергнутых обработке, накипь пришлось удалять путем механической обработки.

Результаты приведены в Таблице 2.

Заявленный способ нанесения покрытия из политетрафторэтилена на теплообменные элементы может быть осуществлен с использованием существующего оборудования.

Способ может быть использован для получения защитных покрытий на металлических поверхностях и может найти применение для защиты изделий и конструкций, контактирующих с жидкой средой, например, в пищевой промышленности, в условиях морского климата и т.п.

Таблица № 1. Испытуемый образец т/о аппарата-ЭТ100. Пластины ранее использовались более 1 года

На момент эксперимента, все пластины были очищены механическим способом и установлены на штатные места.

№ п/п	Марка, модель теплообмен-ного аппарата	Общее кол-во пластин, шт	Кол-во пластин обрабо-танных ПТФЭ, шт	Год изготовл.	Время эксплуатации, Мес.	Степень обработки ПТФЭ, толщина слоя, мкм	Толщина образовав-шейся накипи, мм	Вес накипи, гр	Аппаратное обеспече-ние для удаления накипи	Время очистки 1 плас-тины, мин
1.	Этра, ЭТ-100	223	223	2017	6	10	3	25	Керхер	0,16
2.	Этра, ЭТ-100	223	-	2017	6	Не обраба- тывались	6,5	85	Мех. очистка, шкурка зерн.300	15

Таблица № 2. Испытуемый образец т/о аппарата-ЭТ100. Пластины новые, ранее не использовались

№ п/п	Марка, модель теплообмен-ного аппарата	Общее кол-во пластин, шт	Кол-во пластин обработан-ные ПТФЭ, шт	Год изготовл.	Время эксплуатации, мес	Степень обработки ПТФЭ, толщина слоя, мкм	Толщина образовав-шейся накипи, мм	Вес накипи, гр	Аппаратное обеспечение для удаления накипи	Время очистки 1 пластины, мин
1.	Этра, ЭТ-100	223	100	2017	0,5	10	0,3	«0» в пределах погрешности	Керхер	0,06
2.	Не обраба-тывались	1,1	15	Мех.очистка, шкурка зерн.300	3,5

1. Способ нанесения покрытия из политетрафторэтилена на теплообменные элементы, заключающийся в том, что обезжиривают поверхность теплообменного элемента, высушивают его, затем формируют защитный слой за счет механического натирания поверхности теплообменного элемента, по крайней мере, в двух направлениях порошкообразным политетрафторэтиленом с размером частиц до 2 мкм, после чего производят отжиг при температуре 240 - 260°С до оплавления наночастиц политетрафторэтилена.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обезжиривание осуществляют любым мыльным раствором.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку проводят при комнатной температуре.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что направление натирания при повторном нанесении выбирают взаимно перпендикулярным.