 |
Значения напряжения сдвига (в МПа) парафиновых
|
|
|
|
Значения напряжения сдвига (в МПа) парафиновых
отложений при температуре 293 К на поверхности
покрытий различной химической природы
(данные В. П. Тронова)
Стекло........................................................... 5, 78
Бакелитовый лак......................................... 6, 6
Поливинилбутираль.................................. 7, 2
Эпоксидная смола ЭД-20......................... 8, 3
Полиэтилен.................................................. 12, 5
Сталь без покрытия.................................... 17, 6
Сцепляемость парафина с поверхностью полимерных покрытий, имеющих кристаллическую структуру, во многом зависит от строения решетки кристалла полимера. Соответствие структуры кристаллической решетки растущих на поверхности кристаллов парафина структуре кристаллической решетки поверхностного слоя покрытия вызывает неизбежный рост кристаллов парафина по законам эпитаксического роста, что способствует интенсивному запарафиниванию поверхности. Подобная картина наблюдается при образовании кристаллов парафина на покрытиях из фторопласта и полиэтилена, имеющих сходную с парафином кристаллическую решетку.
Материалы полимерных покрытий в большинстве случаев представляют многокомпонентные системы. Наряду с пленкообразователем в их состав входит ряд других компонентов, оказывающих определенное влияние на полярность покрытия, гидрофильность и шероховатость его поверхности. Степень этого влияния зависит от химической природы компонентов, их концентрации, характера взаимодействия с пленкообразователем.
Прочность сцепления парафинов с непигментированными материалами, представляющими собой лаки на основе высокополярных пленкообразователей (бакелитовый, эпоксидный и др. ), наименьшая. При использовании эмалей на основе тех же пленкообразователей прочность сцепления возрастает, что, вероятно, связано с отрицательным влиянием пигментов на гидрофильность и шероховатость поверхности. Повышенная шероховатость, пористость поверхности покрытия, наличие волнистости («шагрень») повышают интенсивность запарафинивания.
|
|
|
Образование отложений минеральных солей на поверхностях оборудования, контактирующих с обводненными нефтями и минерализованными водными средами, - сложный молекулярный процесс. Интенсивность протекания его в значительной степени обусловливается физико-химическими свойствами поверхности. Силы сцепления солевых отложений с поверхностями различной химической природы разные и определяются полярностью материала поверхности.
Водные растворы минеральных солей являются полярными веществами. Поэтому с понижением полярности (гидрофильности) смачиваемой поверхности силы сцепления уменьшаются (табл. 10).
Мерой полярности материала может служить фактор диэлектрических потерь, равный произведению диэлектрической проницаемости на тангенс угла диэлектрических потерь. Рядом исследователей установлено, что чем выше значение этого показателя у материала, тем большее количество солей откладывается на его поверхности (табл. 11).
Процесс накопления солевых отложений при низкой адгезии слоя к поверхности сопровождается их частичными или полными срывами под действием потока эксплуатационной среды, что предотвращает наращивание слоя отложений на поверхностях оборудования.
Таблица 10
Влияние гидрофильности поверхности на прочность ее сцепления с осадком минеральных солей
| Материал поверхности | Краевой угол смачивания поверхности водой Θ, градус | Прочность сцепления солевых отложений σ сц, МПа |
| Стекло Сталь Полиэтилен | 0, 41 0, 225 |
Работа адгезии Waмежду жидкостью и поверхностью твердого тела может быть определена из уравнения Юнга
|
|
|
Wa = σ 2. 3 + σ 1. 3 - σ 1. 2 = σ 2. 3 (1 + cos Θ ). (1)
Работа адгезии тем больше, чем сильнее взаимодействие контактирующих фаз. Работа когезии жидкости Wкчисленно равна 2σ 2. 3, отсюда σ 2. 3 = 0, 5 Wк. Подставив это выражение в уравнение (5. 1), получим
cosΘ = (Wa/Wк) - 1. (2)
Из уравнения (5. 2) следует, что при контакте полярной жидкости с гидрофобной поверхностью взаимодействие будет минимально, так как Wк > Wa.
Для придания поверхностям оборудования гидрофобных свойств применяют покрытия на основе неполярных пленкообразователей или гидрофобизируют покрытия на основе полярных пленкообразователей.
Таблица 11
Влияние диэлектрических свойств материала поверхности
на интенсивность отложения солей (по данным В. Е. Кащавцева)
| Материал поверхности | Тангенс диэлектрических потерь tgδ п. | Диэлектрическая проницаемость ε м | Фактор диэлектрических потерь Кд = ε мtgδ п. | Интенсивность отложения солей Iс, r/(м2мес) |
| Капролон Поливинилхлорид Полиметилметакрилат Полиэтилен Полипропилен | 0, 028 0, 05 0, 003 0, 0003 0, 0001 | 5, 9 3, 4 2, 9 2, 3 | 0, 161 0, 25 0, 09 0, 0006 0, 0002 |
Гидрофобизация осуществляется введением гидрофобизирующих добавок (кремнийорганические жидкости ГКЖ-10, ГКЖ-11, ГКЖ-94, ВМ-1000 и др. ) в объем материала покрытия или обработкой гидрофобизаторами поверхности покрытия. Кремний органические гидрофобизаторы (алкилхлорсиланы, алкилалкоксиксиланы, полиорганосилазаны и др. ), взаимодействуя с гидроксильными группами пленкообразователей, понижают поверхностное натяжение и резко уменьшают смачивание поверхности водой. Краевой угол смачивания гидрофобизированных покрытий превышает 90°, в то время как при отсутствии гидрофобизаторов он составляет 40-75°. Гидрофобные свойства покрытия повышаются при введении некоторых наполнителей и пигментов (слюда, сажа и др. ). Наибольший эффект достигается при нанесении на покрытие из пигментированных материалов (грунт, эмаль) слоя лака на основе неполярных пленкообразователей.
|
|
|
Адсорбирующийся на поверхности слой органических компонентов нефти усиливает сцепление солевых отложений с поверхностью. При контакте покрытий из неполярных материалов с водно-солевой системой, не содержащей органических компонентов, на гидрофобных поверхностях этих покрытий солевые отложения не образуются. При наличии в водно-солевой системе даже 1 % органики возникают отдельные скопления кристаллов солей на поверхности ряда гидрофобных материалов (например, на полиэтилене, поливинилхлориде, полистироле). Под осадками солей обнаруживаются органические пленки. На поверхности фторопласта отложения солей отсутствуют, что, очевидно, объясняется его более низким критическим поверхностным натяжением.
Критическое поверхностное натяжение σ к, характеризующее поверхностную энергию, служит одним из критериев, определяющих смачивание жидкостью поверхности твердого тела. Наименьшее смачивание наблюдается при контакте полярных жидкостей с гидрофобными покрытиями, обладающими низким поверхностным натяжением.
|
|
|
