PTFE濃度對電廠冷卻水管Ni-Mo-PPTFE復合鍍層形貌和防垢性能的影響

李鵬飛，張海濤

（內蒙古機電職業技術學院，內蒙古呼和浩特010070）

以Ni-P 鍍層、Ni-Mo-P 鍍層為代表的鎳基合金鍍層及以Ni-P/PTFE復合鍍層為代表的鎳磷二元合金復合鍍層，因具有較低的表面能，已被用作低表面能涂層來減緩金屬材料表面生垢［1-4］。隨著對鎳基合金鍍層及鎳磷二元合金復合鍍層的防垢性能提出越來越高的要求，學者們開始致力于三元乃至多元合金復合鍍層的防垢性能研究。

陳衡陽等［5］研究了Ni-Cu-P/PTFE 復合鍍層的防垢性能，并探討了復合鍍層表面污垢的沉積量與復合鍍層的表面能及粗糙度之間的關系。陳帥帥等［6］研究了Ni-W-P/PTFE 復合鍍層的防垢性能，并通過建立模型對復合鍍層表面污垢的沉積量進行了預測。楊梓健等［7］研究了Ni-Mo-P/PTFE 復合鍍層的防垢性能，通過向溶液中添加硫酸鈰以期提高復合鍍層的防垢性能，并重點考察了硫酸鈰質量濃度對復合鍍層結垢率的影響。

與前人的研究主題不同，本文采用單因素實驗法研究了PTFE 濃度對電廠冷卻水管常用的20#鋼表面Ni-Mo-P/PTFE復合鍍層形貌和防垢性能的影響，旨在篩選出較佳的PTFE 濃度，進而得到具有較好防垢性能的Ni-Mo-P/PTFE復合鍍層。

1 實驗

1.1 Ni-Mo-P/PTFE復合鍍層的制備

采用化學鍍工藝在20#鋼表面制備Ni-Mo-P/PTFE 復合鍍層，使用的溶液成分和工藝條件見表1。當溶液中PTFE 濃度分別為5、10、15、20、25 和30 mL 的條件下，制備六種不同的Ni-Mo-P/PTFE復合鍍層，依次命名為復合鍍層C1、C2、C3、C4、C5和C6。

表1 化學鍍Ni-Mo-P/PTFE 復合鍍層使用的溶液成分和工藝條件Tab.1 Solution component and process conditions for electroless plating of Ni-Mo-P/PTFE composite coating

1.2 Ni-Mo-P/PTFE復合鍍層測試

1.2.1 復合鍍層形貌及復合鍍層中PTFE質量分數

使用附帶有Oxford Inca能譜儀的JSM-6360LV掃描電子顯微鏡觀察復合鍍層形貌，同時測定復合鍍層的化學成分，得到各元素的質量分數。根據F在PTFE 中所占的質量百分比，通過換算得到復合鍍層中PTFE質量分數。

1.2.2 復合鍍層的防垢性能

在模擬硬水中進行生垢實驗，以生垢速率作為評價復合鍍層防垢性能得指標。模擬硬水的成分為：氯化鈣0.75 g/L、氯化鈉2.5 g/L、氯化鎂0.4 g/L、碳酸氫鈉1.6 g/L。模擬硬水攪拌均勻后將鍍后的鋼片浸入其中，靜置24 h后取出，浸洗后置于恒溫干燥箱中烘干，使用BSA124S-CW 型電子天平通過稱重求差值計算出生垢速率。與此同時，使用能譜儀分析沉積在復合鍍層表面的污垢化學成分。

2 結果與討論

2.1 PTFE濃度對復合鍍層中PTFE質量分數的影響

圖1 PTFE濃度對復合鍍層中PTFE含量的影響Fig.1 Effect of PTFE concentration on mass fraction of PTFE in composite coatings

圖1示出PTFE濃度對復合鍍層中PTFE質量分數的影響。由圖1 可知，PTFE 濃度變化對復合鍍層中PTFE 質量分數有一定的影響。隨著PTFE 濃度從5 mL/L增加到20 mL/L，PTFE質量分數相應地從1.72%升高到3.19%。其原因是溶液中PTFE濃度越高，處于懸浮狀態的PTFE 必然越多。因此，單位時間內越來越多的PTFE 通過攪拌被輸送到沉積面，并發生弱吸附。隨著Ni-Mo-P鍍層持續沉積，將吸附的PTFE 俘獲，從而使復合鍍層中PTFE 質量分數隨之升高。但當PTFE 濃度超過20 mL/L，隨著PTFE 濃度繼續增加，PTFE 質量分數下降。這表明PTFE 濃度并非越高越好，而是存在最優值。PTFE濃度過高時，由于溶液太黏稠會阻礙鎳離子和次磷酸根離子自由擴散［8］，從而影響PTFE 與Ni-Mo-P鍍層共沉積，所以復合鍍層中PTFE質量分數下降。

2.2 PTFE濃度對復合鍍層形貌及化學成分的影響

圖2顯示了不同PTFE濃度下復合鍍層的形貌。從圖2中看出，不同PTFE濃度下復合鍍層的形貌特征存在相似之處，例如：所有的復合鍍層表面都有彌散分布的凸起胞狀物，且沿著胞狀物輪廓有基本呈橫向延伸的條紋。不同PTFE 濃度下復合鍍層的形貌特征同樣也存在差異，當PTFE 濃度為5 mL/L 和10 mL/L時，復合鍍層C1和復合鍍層C2表面較為粗糙。當PTFE 濃度為15 mL/L 和20 mL/L 時，復合鍍層C3 和復合鍍層C4 的平整度與復合鍍層C1 和復合鍍層C2 相比明顯改善。但當PTFE 濃度分別為25 mL/L 和30 mL/L 時，復合鍍層C5 和復合鍍層C6表面又變得粗糙，平整度有所下降。這表明在一定范圍內PTFE 濃度增加可以改善復合鍍層形貌，原因可能是PTFE 濃度增加促進了結晶形核，增加了形核率，從而提高復合鍍層平整度。

圖2 不同PTFE濃度下復合鍍層的形貌Fig.2 Morphology of composite coatings under different PTFE concentration

所有的復合鍍層化學成分都為Ni、Mo、P、F、C和O，這表明PTFE濃度變化不會影響復合鍍層的化學成分，但影響了復合鍍層中各元素的質量分數，如圖3 所示。隨PTFE 濃度從5 mL/L 增加到20 mL/L，Ni、P、Mo 和F 的質量分數總體上都呈現升高的趨勢。但當PTFE 濃度超過20 mL/L 后，隨著PTFE 濃度繼續增加，Ni、P、Mo 和F 的質量分數都呈現下降的趨勢。

圖3 不同PTFE 濃度下復合鍍層中各元素的質量分數Fig.3 Mass fraction of each elements composite coatings under different PTFE concentration

PTFE 濃度為20 mL/L 時，通過面掃描得到復合鍍層的能譜圖如圖4 所示。從圖4 中可以明顯地看出Ni、Mo、P、F和C的特征峰，其中Ni的特征峰強度最大，Mo、F 和C 的特征峰強度都較小，這是由于該復合鍍層中Ni 的質量分數相對最高，Mo、F 和C 的質量分數相對較低。

2.3 PTFE濃度對復合鍍層防垢性能的影響

圖5為PTFE濃度對復合鍍層生垢速率的影響。從圖5 中看出，在5～20 mL/L 的范圍內隨著PTFE 濃度增加，生垢速率隨之減小，表明復合鍍層的防垢性能逐漸提高，這與復合鍍層中PTFE 質量分數明顯升高有密切關系。主要原因在于，低能物質PTFE與Ni-Mo-P 鍍層共沉積形成的Ni-Mo-P/PTFE 復合鍍層屬于低表面能涂層，難溶性金屬鹽很難從該復合鍍層表面獲得足夠的能量以晶體形式沉積，即污垢沉積在該復合鍍層表面沉積較為困難［9-11］。隨著復合鍍層中PTFE 質量分數升高，復合鍍層表面能逐漸減小，從而減緩了污垢沉積，表現為生垢速率減小。其中，PTFE 濃度為20 mL/L 時，復合鍍層C4具有相對較好的防垢性能。

圖4 PTFE濃度為20 mL/L時復合鍍層的能譜圖Fig.4 Energy spectra of the composite coating with PTFE concentration of 20 mL/L

但在20～30 mL/L 的范圍內隨著PTFE 濃度增加，生垢速率隨之增大，表明復合鍍層的防垢性能呈現下降趨勢。這是由于復合鍍層中PTFE 質量分數下降使得復合鍍層表面能增大［12］，對污垢沉積的阻礙作用減弱。

圖5 PTFE濃度對復合鍍層生垢速率的影響Fig.5 Effect of PTFE concentration on fouling rate of composite coatings

當復合鍍層在模擬硬水中浸24 h 后，不同復合鍍層的表面都檢測到Ni、Mo、P、F、C、O和Ca、Mg等元素。其中，Ni、Mo、P、F 和C 是復合鍍層的特征性元素，而Ca、Mg 等為沉積在復合鍍層表面的污垢主要成分。如圖6所示，復合鍍層C4表面Ca、Mg和O的質量分數均較低，依次為0.43%、0.35%、4.09%，這是由于沉積在復合鍍層C4表面的污垢較少，說明復合鍍層C4具有相對較好的防垢性能。

圖6 沉積在不同復合鍍層表面的污垢主要成分Fig.6 Major composition of fouling deposited on the surface of different composite coatings

圖7 示出復合鍍層C2、C4 和C6 在模擬硬水中浸泡24 h 后的形貌。從圖7 可以看出，PTFE 濃度分別為10 mL/L和30 mL/L時，沉積在復合鍍層C2、復合鍍層C6 表面的污垢較多且較為集中。而PTFE濃度為20 mL/L 時，沉積在復合鍍層C4 表面的污垢較少，呈稀疏分布。進一步比較觀察證實，PTFE 濃度為20 mL/L 時，復合鍍層C4 具有相對較好的防垢性能。

圖7 不同復合鍍層在模擬硬水中浸24 h后的形貌Fig.7 Morphology of different composite coatings immersed in simulated hard water for 24 h

3 結論

（1）PTFE 濃度對電廠冷卻水管常用的20#鋼表面Ni-Mo-P/PTFE 鍍層的形貌和防垢性能都有一定的影響。不同PTFE 濃度下復合鍍層的形貌特征既存在相似之處也存在差異，復合鍍層的生垢速率以及在模擬硬水中浸24 h后的形貌也有所不同。

（2）在一定的范圍內PTFE 濃度增加可以改善復合鍍層形貌，提高復合鍍層平整度，使復合鍍層的生垢速率減小，防垢性能逐漸提高。當PTFE 濃度為20 mL/L 時，復合鍍層表面較為平整，PTFE 質量分數達到3.19%，具有相對較好的防垢性能。