油田管道防垢的超疏水涂層的制備和性能研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.034

摘 要：為解決管道結(jié)垢帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患，將超疏水涂層噴涂在管道內(nèi)壁表面形成一層保護(hù)膜，以阻止流體與管壁的直接接觸，研究以環(huán)氧樹脂為基體，通過添加二氧化硅和氧化鋁來構(gòu)建表面微納米結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制備了EP-SiO₂/Al₂O₃超疏水涂層，通過調(diào)控2種無極納米粒子的添加量優(yōu)化涂層配方，并考察EP-SiO₂/Al₂O₃復(fù)合涂層的疏水和防垢性能。結(jié)果表明，當(dāng)各投入5.1%SiO₂和5.1%Al₂O₃時涂層附著力為1級，同時接觸角可達(dá)154.6°，復(fù)合涂層的垢結(jié)量明顯降低，僅為同等狀態(tài)下環(huán)氧涂層的16.5%。為減少油田管道的結(jié)垢和腐蝕，提高油田的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益提供可行途徑。

關(guān)鍵詞：超疏水涂層；油田管道；防垢結(jié)；無機(jī)納米粒子

中圖分類號：TQ341" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號：1001-5922（2024）02-0127-04

Preparation and performance study of superhydrophobic coating for anti-scaling of oilfield pipelines

SHI Peiyu，CHEN Zhaolong

（China Petrochemical CompanyShengli Oilfield Company Oil and Gas Gathering and Transportation General Factory， Dongying 257000，Shandong China）

Abstract：In order to solve the serious economic losses and safety hazards caused by pipeline scaling，the superhydrophobic coating was sprayed on the surface of the inner wall of the pipeline to form a protective film to prevent the direct contact between the fluid and the pipe wall.The surface micro-nano structure was constructed by adding silica and alumina using epoxy resin as the matrix，the EP-SiO₂/Al₂O₃ superhydrophobic coating was designed and prepared，the coating formula was optimized by adjusting the addition amount of two electrode nanoparticles，and the hydrophobic and anti-scale properties of EP-SiO₂/Al₂O₃ composite coatings were investigated.The results showed that when 5.1% SiO₂ and 5.1% Al₂O₃ were added respectively，the adhesion of the coating was level 1，and the contact angle could reach 154.6°，and the amount of fouling of the composite coating was significantly reduced，which was only 16.5% of that of the epoxy coating in the same state.It provides a feasible way to reduce the fouling and corrosion of oilfield pipelines and improve the economic and safety benefits of oilfield.

Key words：superhydrophobic coating; oilfield pipelines; anti-scaling; inorganic nanoparticles

管道結(jié)垢帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。結(jié)垢會使管道阻塞，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)生設(shè)備爆炸等安全事故^[1]。通過在油田管道表面噴涂超疏水涂層可以緩解管道表面結(jié)垢的不良情況。將超疏水涂層噴涂在管道內(nèi)壁表面形成一層保護(hù)膜，進(jìn)而減少無機(jī)鹽在管壁表面的異構(gòu)成核率^[2]。其中，環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能已被廣泛運(yùn)用于各個領(lǐng)域，環(huán)氧樹脂加工性能好，可在不同固化溫度下進(jìn)行物化反應(yīng)，與金屬材料的粘接性能好，是一種受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用的涂層基體材料^[3-4]。為了提高環(huán)氧涂層的防垢結(jié)、防腐蝕性能，可對涂層的表面粗糙度和表面自由能進(jìn)行改進(jìn)。將納米填料直接加入到環(huán)氧涂層中是一種簡單有效的方法，常用于聚合物改性的納米粒子有二氧化硅、氧化鋁、氧化石墨烯等^[5-7]。研究采用噴涂方法，以環(huán)氧樹脂為基體，通過添加SiO₂和Al₂O₃，設(shè)計(jì)制備了EP-SiO₂/Al₂O₃超疏水復(fù)合涂層。

1"試驗(yàn)概況

1.1"實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：環(huán)氧樹脂：工業(yè)級，二氧化硅：15 nm，納米氧化鋁：30 nm；低分子聚酰胺樹脂：工業(yè)級，乙酸乙酯：化學(xué)純；無水乙醇：化學(xué)純。

實(shí)驗(yàn)儀器：電子天平；磁力攪拌器；超聲清洗器；球磨機(jī)；電熱鼓風(fēng)干燥箱；空氣噴涂系統(tǒng)；接觸角測量儀；金屬刀具；手持放大鏡。

1.2"基板預(yù)處理

將5 mm厚的鋼板裁剪成60 mm×80 mm×5 mm規(guī)格，依次用600目、800目以及1 000目的砂紙對鋼板進(jìn)行充分打磨，以保證試驗(yàn)采用的樣品塊具有相同的粗糙度。將鋼板用二次水和無水乙醇充分清洗，去除鋼板表面的污垢和油脂。將洗凈的鋼板用吹風(fēng)機(jī)吹干備用^[8]。

1.3"涂料制備

1.3.1"環(huán)氧涂料制備

稱取5 g環(huán)氧樹脂于50 mL燒杯中，加入30 mL乙酸乙酯，在燒杯口蓋上一層保鮮膜后將燒杯在超聲儀中分散10 min。待環(huán)氧樹脂與乙酸乙酯充分混合后，向上述溶液中加入2 g環(huán)氧樹脂固化劑，實(shí)驗(yàn)采用固化劑為低分子聚酰胺樹脂，繼續(xù)超聲30 min使固化劑與環(huán)氧/乙酸乙酯溶液充分混合^[9]。

1.3.2"環(huán)氧-無機(jī)納米粒子混合涂料制備

稱取一定量二氧化硅（0、0.2、0.4、0.6、0.8 g）和氧化鋁（0、0.2、0.4、0.6、0.8 g）于25 mL燒杯中，加入10 mL無水乙醇和一顆攪拌子并在燒杯口蓋上一層保鮮膜，待無機(jī)納米粒子浸潤完全后先用磁力攪拌器攪拌30 min再將燒杯在超聲儀中分散30 min。稱取5 g環(huán)氧樹脂于50 mL燒杯中，加入20 mL乙酸乙酯，在燒杯口蓋上一層保鮮膜后將燒杯在超聲儀中分散10 min。待環(huán)氧樹脂與乙酸乙酯充分混合后將二氧化硅/氧化鋁/乙醇混合液倒入環(huán)氧樹脂/乙醇溶液中，并向上述混合液中加入2 g低分子聚酰胺樹脂，將得到的混合涂料倒入球磨罐中球磨2 h。其中，無機(jī)納米粒子的投入量=無機(jī)納米粒子投入量÷（無機(jī)納米粒子投入量+環(huán)氧樹脂投入量+固化劑投入量）×100%。

1.4"涂料噴涂

將制備好的涂料倒入噴槍，將噴槍調(diào)至最佳霧化狀態(tài)，在距離鋼板20 cm處噴涂10 min，噴涂壓力為0.6 MPa。噴涂完成后先在室溫下靜置流平，然后將樣品放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在180 ℃下固化1 h，取出后冷卻至室溫即得^[10-12]。

1.5"附著力測試

參照GB/T 9286—1998漆膜的劃格試驗(yàn)進(jìn)行附著力測試。用刀具在相垂直的方向上劃11條切痕，檢查切口以保證劃到基底。將膠帶貼在切痕表面，平整后撕下，用手持放大鏡觀察，并根據(jù)剝落程度并進(jìn)行附著力評級。每個樣品平行測定3次^[13-14]。

2"試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1"單一無機(jī)納米粒子對環(huán)氧復(fù)合涂層性能的影響

按表1所示的投入量制備了單一無機(jī)納米粒子-環(huán)氧復(fù)合涂層，樣品名記作EP-xSiO₂或EP-xAl₂O₃，x代表無機(jī)納米粒子投入量。對環(huán)氧樹脂、單一無機(jī)納米粒子-環(huán)氧復(fù)合涂層的金屬附著力及水接觸角進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，環(huán)氧對金屬材料表面具有優(yōu)異的粘接強(qiáng)度，附著力達(dá)到1級。納米SiO₂的投入對復(fù)合涂層的金屬附著力產(chǎn)生影響，當(dāng)投入量在5.4%以下時，附著力仍能夠保持為1級；當(dāng)投入量達(dá)到7.9%時，附著力下降到2級；當(dāng)投入量達(dá)到10.3%時，附著力下降到3級，已無法滿足工程實(shí)際中對于涂層金屬附著力的要求。納米Al₂O₃的投入也會對復(fù)合涂層的金屬附著力產(chǎn)生影響，但在相同投入量的條件下，影響小于納米SiO₂，當(dāng)投入量達(dá)到7.9%時，附著力仍能保持為1級；當(dāng)投入量達(dá)到10.3%時，附著力也僅僅下降到2級。這可能與Al₂O₃的加入對涂層致密性影響較小有關(guān)^[15-17]。

由噴涂制備的環(huán)氧樹脂涂層表面較為平整光滑，但受限于噴涂工藝，在涂層的表面仍不可避免地存在一些由聚合物聚集造成的粗糙結(jié)構(gòu)。添加納米SiO₂后，EP- SiO₂涂層的水接觸角介于109.7°～164.2 °。隨著納米SiO₂加入量的增加，復(fù)合涂層的水接觸角增大。在SiO₂投入量達(dá)到7.9%時，涂層表面呈現(xiàn)出超疏水性。而在添加納米Al₂O₃后，EP- Al₂O₃涂層的水接觸角介于120.2°～133.1°。隨著納米Al₂O₃加入量的增加，復(fù)合涂層的水接觸角增大。即使Al₂O₃投入量達(dá)到10.3%時，涂層表面也未能呈現(xiàn)出超疏水性，這可能與Al₂O₃物質(zhì)本身的親水性有關(guān)^[18-20]。

2.2"投料比對EP-SiO₂/Al₂O₃復(fù)合涂層性能影響

由表1可知，在環(huán)氧涂層中加入2種無機(jī)納米粒子均能提高環(huán)氧涂層的疏水性。其中，SiO₂對涂層疏水性提升效果顯著;Al₂O₃在維持復(fù)合涂層與金屬材料的附著力方面表現(xiàn)較佳。而用單一無機(jī)納米粒子與環(huán)氧涂層進(jìn)行復(fù)合時，均不能得到附著力為1級的超疏水涂層。將2種納米粒子按表2所示的投入量制備環(huán)氧樹脂-二氧化硅/氧化鋁復(fù)合涂層，樣品名記作EP-mSiO₂/nAl₂O₃，m和n分別代表二氧化硅和氧化鋁的投入量。EP-SiO₂/Al₂O₃涂層的附著力和水接觸角如表2 所示，使附著力降低的主要影響因素為SiO₂，SiO₂投入量為2.6%～5.3%的樣品除EP-5%SiO₂/7.5%Al₂O₃外附著力均能達(dá)到1級。EP-5%SiO₂/7.5%Al₂O₃雖然SiO₂的含量較低，但較高的Al₂O₃含量仍使附著力降低至2級。綜合考慮附著力和水接觸角，EP-5.1%SiO₂/5.1%Al₂O₃具有較為優(yōu)異的綜合性能。

2.3"EP-SiO₂/Al₂O₃超疏水復(fù)合涂層防垢結(jié)性能

將環(huán)氧涂層試片、EP-10.3%SiO₂超疏水復(fù)合涂層試片、EP-10.3%Al₂O₃疏水復(fù)合涂層試片、EP-5.1%SiO₂/ 5.1%Al₂O₃超疏水復(fù)合涂層試片分別放于含鈣離子、鎂離子、碳酸根和硫酸根等離子的油田結(jié)垢液中14 d，讓其充分結(jié)垢。結(jié)垢量隨時間的變化如圖1所示，隨著涂層在結(jié)垢液中浸泡時間的增加，環(huán)氧涂層和3種復(fù)合涂層的結(jié)垢量也隨之增加。EP-10.3%SiO₂涂層在結(jié)垢前期結(jié)垢量最低。但在結(jié)垢第6 d時由于局部涂層的剝落導(dǎo)致結(jié)垢量快速增加。EP-10.3%Al₂O₃由于疏水效果有限，前期結(jié)垢量稍高于EP-10.3%SiO₂，后期則憑借較好的附著力取得較為出色的防垢結(jié)效果。EP-5.1%SiO₂/ 5.1%Al₂O₃復(fù)合涂層具有良好的防垢性能，結(jié)垢第14 d時，環(huán)氧涂層的結(jié)垢量為3.89 mg/cm³;而EP-5.1%SiO₂/ 5.1%Al₂O₃復(fù)合涂層的結(jié)垢量為0.64 mg/cm³，僅為單純環(huán)氧涂層的16.5%。

3"結(jié)語

以環(huán)氧樹脂為原料，納米SiO₂和Al₂O₃為改性劑，制備得到金屬附著力良好的超疏水復(fù)合涂層。進(jìn)行14 d的垢結(jié)實(shí)驗(yàn)測試，研究結(jié)果表明，當(dāng)各投入5.1%SiO₂和5.1%Al₂O₃時涂層附著力為1級，同時接觸角可達(dá)154.6°，復(fù)合涂層的結(jié)垢量明顯降低，僅為同等狀態(tài)下環(huán)氧涂層的16.5%。具有優(yōu)異的防垢性能。為減少油田管道的結(jié)垢和腐蝕，提高油田的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益提供可行途徑，可運(yùn)用于實(shí)際中解決油田管道的防垢問題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]金明皇，李克華，趙磊.油田結(jié)垢與防治及其機(jī)理研究進(jìn)展[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2013，42（4）：18-21.

[2]陳夢涵，柯勝楠，周欣，等.油田管道防垢的超疏水涂層制備及性能研究[J].化工機(jī)械，2022，49（2）：205-209.

[3]李海波，張艦.油田防垢技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2012，33（4）.

[4]錢慧娟.聚合物基功能涂層的制備及其防垢性能研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2020.

[5]錢慧娟，宋華，朱明亮，等.聚合物基疏水/超疏水涂層防垢的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工，2020，49（3）：773-776.

[6]劉田甜，譚英學(xué)，孫美聰.用于集輸管道的阻垢涂層優(yōu)選及性能評價[J].化工管理，2022（35）：118-120.

[7]柯沖，李中發(fā)，朱志平，等.超疏水涂層的制備及其在金屬防腐領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].材料保護(hù)，2022，55（2）：145-159.

[8]蘇靜，楊雪，王鴻博.自修復(fù)超疏水材料的發(fā)展及應(yīng)用[J].服裝學(xué)報(bào)，2021，6（5）：384-389.

[9]張欣，關(guān)金鶴，尹華偉，等.超疏水表面在金屬抗腐蝕應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J].電鍍與涂飾，2021，40（2）：132-141.

[10]袁舟，林鵬龍，賈林杰，等.超疏水涂膜的研究發(fā)展?fàn)顩r——基于文獻(xiàn)計(jì)量分析法[J].材料保護(hù)，2020，53（11）：106-112.

[11]李劍，王湘雯，黃正勇，等.超疏水絕緣涂層制備與防冰、防污研究現(xiàn)狀[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32（16）：61-75.

[12]鄭龍珠，蘇曉競，李紅強(qiáng)，等.功能性超疏水表面的構(gòu)建及其應(yīng)用進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2021，40（5）：2634-2645.

[13]吳莉莉，劉勇，張玉紅，何培新.耐久性超疏水材料的研究進(jìn)展[J].粘接，2018，39（5）：59-62.

[14]張凱，文邦偉，譚勇.超疏水膜層防腐蝕機(jī)理及氣相法制備技術(shù)研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2018，30（4）：441-448.

[15]趙一鳴，汪懷遠(yuǎn)，陶瑞豐，等.超疏水表面制備及其減阻研究[J].化學(xué)工程師，2018，32（3）：33-36.

[16]鄒峰，趙必花，朱彩娣.一種納米改性聚合物超疏水涂層的制備方法：CN108558232A[P].2018-09-21.

[17]余騰飛.采用PDMS/SiO₂氣凝膠材料制備的泳衣超疏水性能研究[J].粘接，2022，49（11）：20-23.

[18]王英.超疏水表面涂層制備技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國建材科技，2016，25（1）：32-33.

[19]趙美蓉，周惠言，康文倩，等.超疏水表面制備方法的比較[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2021，38（2）：361-379.

[20]鮑艷，暢菁香.耐久型超疏水表面的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2020，39（12）：5148-5160.

收稿日期：2023-09-05；修回日期：2023-12-04

作者簡介：史培玉（1977-），女，碩士，高級工程師，研究方向：油氣儲運(yùn)、機(jī)械設(shè)備、自動化管理;E-mail：hzmpo20@163.com。

通訊作者：陳兆龍（1975-），男，碩士，高級工程師，研究方向：設(shè)備工藝技術(shù)研究；E-mail：CZL75100728@163.com。

引文格式：史培玉，陳兆龍.油田管道防垢的超疏水涂層的制備和性能研究[J].粘接，2024，51（2）：127-130.