PTFE浓度对电厂冷却水管Ni-Mo-PPTFE复合镀层形貌和防垢性能的影响

2021-03-19李鹏飞张海涛

电镀与精饰 2021年3期

李鹏飞，张海涛

（内蒙古机电职业技术学院，内蒙古呼和浩特010070）

以Ni-P 镀层、Ni-Mo-P 镀层为代表的镍基合金镀层及以Ni-P/PTFE复合镀层为代表的镍磷二元合金复合镀层，因具有较低的表面能，已被用作低表面能涂层来减缓金属材料表面生垢［1-4］。随着对镍基合金镀层及镍磷二元合金复合镀层的防垢性能提出越来越高的要求，学者们开始致力于三元乃至多元合金复合镀层的防垢性能研究。

陈衡阳等［5］研究了Ni-Cu-P/PTFE 复合镀层的防垢性能，并探讨了复合镀层表面污垢的沉积量与复合镀层的表面能及粗糙度之间的关系。陈帅帅等［6］研究了Ni-W-P/PTFE 复合镀层的防垢性能，并通过建立模型对复合镀层表面污垢的沉积量进行了预测。杨梓健等［7］研究了Ni-Mo-P/PTFE 复合镀层的防垢性能，通过向溶液中添加硫酸铈以期提高复合镀层的防垢性能，并重点考察了硫酸铈质量浓度对复合镀层结垢率的影响。

与前人的研究主题不同，本文采用单因素实验法研究了PTFE 浓度对电厂冷却水管常用的20#钢表面Ni-Mo-P/PTFE复合镀层形貌和防垢性能的影响，旨在筛选出较佳的PTFE 浓度，进而得到具有较好防垢性能的Ni-Mo-P/PTFE复合镀层。

1 实验

1.1 Ni-Mo-P/PTFE复合镀层的制备

采用化学镀工艺在20#钢表面制备Ni-Mo-P/PTFE 复合镀层，使用的溶液成分和工艺条件见表1。当溶液中PTFE 浓度分别为5、10、15、20、25 和30 mL 的条件下，制备六种不同的Ni-Mo-P/PTFE复合镀层，依次命名为复合镀层C1、C2、C3、C4、C5和C6。

表1 化学镀Ni-Mo-P/PTFE 复合镀层使用的溶液成分和工艺条件Tab.1 Solution component and process conditions for electroless plating of Ni-Mo-P/PTFE composite coating

1.2 Ni-Mo-P/PTFE复合镀层测试

1.2.1 复合镀层形貌及复合镀层中PTFE质量分数

使用附带有Oxford Inca能谱仪的JSM-6360LV扫描电子显微镜观察复合镀层形貌，同时测定复合镀层的化学成分，得到各元素的质量分数。根据F在PTFE 中所占的质量百分比，通过换算得到复合镀层中PTFE质量分数。

1.2.2 复合镀层的防垢性能

在模拟硬水中进行生垢实验，以生垢速率作为评价复合镀层防垢性能得指标。模拟硬水的成分为：氯化钙0.75 g/L、氯化钠2.5 g/L、氯化镁0.4 g/L、碳酸氢钠1.6 g/L。模拟硬水搅拌均匀后将镀后的钢片浸入其中，静置24 h后取出，浸洗后置于恒温干燥箱中烘干，使用BSA124S-CW 型电子天平通过称重求差值计算出生垢速率。与此同时，使用能谱仪分析沉积在复合镀层表面的污垢化学成分。

2 结果与讨论

2.1 PTFE浓度对复合镀层中PTFE质量分数的影响

图1 PTFE浓度对复合镀层中PTFE含量的影响Fig.1 Effect of PTFE concentration on mass fraction of PTFE in composite coatings

图1示出PTFE浓度对复合镀层中PTFE质量分数的影响。由图1 可知，PTFE 浓度变化对复合镀层中PTFE 质量分数有一定的影响。随着PTFE 浓度从5 mL/L增加到20 mL/L，PTFE质量分数相应地从1.72%升高到3.19%。其原因是溶液中PTFE浓度越高，处于悬浮状态的PTFE 必然越多。因此，单位时间内越来越多的PTFE 通过搅拌被输送到沉积面，并发生弱吸附。随着Ni-Mo-P镀层持续沉积，将吸附的PTFE 俘获，从而使复合镀层中PTFE 质量分数随之升高。但当PTFE 浓度超过20 mL/L，随着PTFE 浓度继续增加，PTFE 质量分数下降。这表明PTFE 浓度并非越高越好，而是存在最优值。PTFE浓度过高时，由于溶液太黏稠会阻碍镍离子和次磷酸根离子自由扩散［8］，从而影响PTFE 与Ni-Mo-P镀层共沉积，所以复合镀层中PTFE质量分数下降。

2.2 PTFE浓度对复合镀层形貌及化学成分的影响

图2显示了不同PTFE浓度下复合镀层的形貌。从图2中看出，不同PTFE浓度下复合镀层的形貌特征存在相似之处，例如：所有的复合镀层表面都有弥散分布的凸起胞状物，且沿着胞状物轮廓有基本呈横向延伸的条纹。不同PTFE 浓度下复合镀层的形貌特征同样也存在差异，当PTFE 浓度为5 mL/L 和10 mL/L时，复合镀层C1和复合镀层C2表面较为粗糙。当PTFE 浓度为15 mL/L 和20 mL/L 时，复合镀层C3 和复合镀层C4 的平整度与复合镀层C1 和复合镀层C2 相比明显改善。但当PTFE 浓度分别为25 mL/L 和30 mL/L 时，复合镀层C5 和复合镀层C6表面又变得粗糙，平整度有所下降。这表明在一定范围内PTFE 浓度增加可以改善复合镀层形貌，原因可能是PTFE 浓度增加促进了结晶形核，增加了形核率，从而提高复合镀层平整度。

图2 不同PTFE浓度下复合镀层的形貌Fig.2 Morphology of composite coatings under different PTFE concentration

所有的复合镀层化学成分都为Ni、Mo、P、F、C和O，这表明PTFE浓度变化不会影响复合镀层的化学成分，但影响了复合镀层中各元素的质量分数，如图3 所示。随PTFE 浓度从5 mL/L 增加到20 mL/L，Ni、P、Mo 和F 的质量分数总体上都呈现升高的趋势。但当PTFE 浓度超过20 mL/L 后，随着PTFE 浓度继续增加，Ni、P、Mo 和F 的质量分数都呈现下降的趋势。

图3 不同PTFE 浓度下复合镀层中各元素的质量分数Fig.3 Mass fraction of each elements composite coatings under different PTFE concentration

PTFE 浓度为20 mL/L 时，通过面扫描得到复合镀层的能谱图如图4 所示。从图4 中可以明显地看出Ni、Mo、P、F和C的特征峰，其中Ni的特征峰强度最大，Mo、F 和C 的特征峰强度都较小，这是由于该复合镀层中Ni 的质量分数相对最高，Mo、F 和C 的质量分数相对较低。

2.3 PTFE浓度对复合镀层防垢性能的影响

图5为PTFE浓度对复合镀层生垢速率的影响。从图5 中看出，在5～20 mL/L 的范围内随着PTFE 浓度增加，生垢速率随之减小，表明复合镀层的防垢性能逐渐提高，这与复合镀层中PTFE 质量分数明显升高有密切关系。主要原因在于，低能物质PTFE与Ni-Mo-P 镀层共沉积形成的Ni-Mo-P/PTFE 复合镀层属于低表面能涂层，难溶性金属盐很难从该复合镀层表面获得足够的能量以晶体形式沉积，即污垢沉积在该复合镀层表面沉积较为困难［9-11］。随着复合镀层中PTFE 质量分数升高，复合镀层表面能逐渐减小，从而减缓了污垢沉积，表现为生垢速率减小。其中，PTFE 浓度为20 mL/L 时，复合镀层C4具有相对较好的防垢性能。

图4 PTFE浓度为20 mL/L时复合镀层的能谱图Fig.4 Energy spectra of the composite coating with PTFE concentration of 20 mL/L

但在20～30 mL/L 的范围内随着PTFE 浓度增加，生垢速率随之增大，表明复合镀层的防垢性能呈现下降趋势。这是由于复合镀层中PTFE 质量分数下降使得复合镀层表面能增大［12］，对污垢沉积的阻碍作用减弱。

图5 PTFE浓度对复合镀层生垢速率的影响Fig.5 Effect of PTFE concentration on fouling rate of composite coatings

当复合镀层在模拟硬水中浸24 h 后，不同复合镀层的表面都检测到Ni、Mo、P、F、C、O和Ca、Mg等元素。其中，Ni、Mo、P、F 和C 是复合镀层的特征性元素，而Ca、Mg 等为沉积在复合镀层表面的污垢主要成分。如图6所示，复合镀层C4表面Ca、Mg和O的质量分数均较低，依次为0.43%、0.35%、4.09%，这是由于沉积在复合镀层C4表面的污垢较少，说明复合镀层C4具有相对较好的防垢性能。

图6 沉积在不同复合镀层表面的污垢主要成分Fig.6 Major composition of fouling deposited on the surface of different composite coatings

图7 示出复合镀层C2、C4 和C6 在模拟硬水中浸泡24 h 后的形貌。从图7 可以看出，PTFE 浓度分别为10 mL/L和30 mL/L时，沉积在复合镀层C2、复合镀层C6 表面的污垢较多且较为集中。而PTFE浓度为20 mL/L 时，沉积在复合镀层C4 表面的污垢较少，呈稀疏分布。进一步比较观察证实，PTFE 浓度为20 mL/L 时，复合镀层C4 具有相对较好的防垢性能。