СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ ИЗ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА НА ТЕПЛООБМЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
METHOD OF APPLYING POLYTETRAFLUOROETHYLENE COATING ON HEAT EXCHANGE ELEMENTS

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.
2
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/см 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.
FORTOL
Были проведены испытания,основанные на обработке бывших в употреблении пластин теплообменников (теплообменных элементов) порошком политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм «Сухая смазка » 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.
FORTOL
Также были проведены испытания,основанные на обработке новых теплообменных элементов порошком политетрафторэтилена с размером частиц до 2 мкм «Сухая смазка » 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
Годизготовл.
Время эксплуатации,Мес.
Степень обработкиПТФЭ, толщина слоя, мкм
Толщина образовав-шейся накипи, мм
Веснакипи,гр
Аппаратное обеспече-ниедля 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
Годизготовл.
Время эксплуатации,мес
Степень обработкиПТФЭ, толщина слоя, мкм
Толщина образовав-шейся накипи, мм
Веснакипи,гр
Аппаратное обеспечениедля 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