用于管状结构的内表面的超疏水组合物和涂布方法技术

一种用于沉积涂层的方法包括在管状结构的内部体积内产生真空，其中所述管状结构也包括内表面。将气体供给至所述管状结构的内部体积，其中所述气体包括气相中的等离子体前体。所述管状结构相对于接地偏压。形成具有密度并沿着所述管状结构的长度周期性设置的等离子体。产生等离子体前体气体的正离子，所述正离子沉积于所述内表面上，从而在所述内表面上形成涂层，其中所述涂层显示出大于120°的水接触角。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2012年11月21日提交的美国专利申请系列No.13/683,690的提交日的权益，所述申请的教导以引用方式并入本文。
本公开涉及存在于相对长的管状结构的内表面上的超疏水保形涂层，以及用于形成这种涂层的方法。特别地，本专利技术涉及缓解管状结构的内表面上的烃类水合物和无机结垢的成核、生长和粘附的超疏水涂层。
技术介绍
水合物，特别是笼型水合物应理解为物理上类似冰的结晶水基固体，在所述结晶水基固体中捕获甲烷和其他相对小的烃类。在洋底上方和下方以及在永久冻土的某些区域中存在的甲烷水合物沉积物构成星球上已知的天然气储量的大部分。另外，甲烷和其他相对小的烃类的水合物在生产石油井和气或油管道中形成。然而，在生产井和管道内的水合物形成导致其中捕获气体的冰的固体塞，所述固体塞在极端时堵塞产品流。生产成本的大约10至15％可投资用于使用基于化学添加剂(例如甲醇、硅氧烷低聚物、聚-N-乙烯基吡咯烷酮和硫酸铝)和物理方法(例如高频电磁场)的技术来防止水合物形成。然而，当这种防止方法失败时，例如在近海管道中连续水合物塞的去除是高成本的。如果可操纵接触石油，并因此接触这种水合物的表面的固有性质以降低或消除水合物在这种表面上的成核和/或粘附，则不依赖于化学添加剂或外部物理方法的缓解策略可为管道操作提供特别的成本节约。已尝试提供有机硅氧烷官能化和涂层，其减少水合物对这些表面<br>的粘附。金属表面的疏水化依赖于例如使存在于碳钢表面上的氧氢氧化铁官能团与三甲基氯硅烷或氯硅氧烷低聚物以及这些反应物的氟取代的类似物反应。尽管这些策略可产生可分类为水接触角接近120°的相对于水为疏水性的表面，但这些水平的疏水性被认为不足以抑制金属表面上的水合物成核、生长和粘附。
技术实现思路
本公开的一方面涉及一种沉积保形涂层的方法。所述方法包括在管状结构的内部体积内产生真空，其中所述管状结构也包括内表面。将气体供应至所述管状结构的内部体积，其中所述气体包括气相中的等离子体前体。所述管状结构相对于接地偏压。形成可以沿着管状结构的长度周期性设置的等离子体。产生等离子体前体气体的正离子，然后可将所述正离子加速至内表面，并沉积于内表面上，从而形成涂层，其中所述涂层显示出大于120°的水接触角。在一个相关方面中，本公开涉及一种设置于管状结构(包括具有内表面和内部体积的管状结构)上的保形涂层，以及一种设置于内表面上的碳-硅氧烷涂层，其中所述涂层具有大于120°的水接触角。所述涂层包含50至60原子％的碳、20至30原子％的氧和15至25原子％的硅。具有至多300埃的深度的涂层包括如下化学键类型：(a)相对浓度为38.5(±12)％的Si-O-；(b)相对浓度为25.6(±5)％的Si-C；(c)相对浓度为4.5(±3)％的C-O；和(d)相对浓度为31.4(±2)％的C-C。本公开的另一方面涉及一种用于在管状结构中形成保形涂层的系统。所述系统包括管状结构，所述管状结构包括限定内部体积的内表面和至少两个相对端部，其中每个相对端部包括开口。所述系统也包括至少两个真空泵站，其中每个真空泵站联接至所述开口中的一个。所述系统还包括经由小直径(即0.125-0.5英寸OD)的管状电极联接至内部体积的气体供应口，所述管状电极在接地(或正)电位下，跨越所述管状结构的长度，并在张力下中心悬挂，气体通过气体扩散器在所述管状结构的长度的大约中间处通过所述气体供应口供应和离开管状结构的内部体积。另外，作为任选特征，所述系统可包括多个磁场线圈，其中每个磁场线圈围绕所述管状结构设置，且所述磁场线圈沿着所述管状结构的长度间隔开。此外，所述系统的任选特征包括电连接至所述磁场线圈的任意波形发生器，所述波形发生器构造为将可变电流施加至所述磁场线圈，并构造为在所述磁场线圈中的至少两个之间提供相位偏移。所述系统的这些任选特征可用于协助在所述管状结构内部形成的等离子体的静态或动态定位。附图说明参照结合所附附图在本文描述的实施方案的如下描述，本公开的上述和其他特征，以及获得这些特征的方式可变得更明显且更好理解，其中：图1示出了水接触角测量的示意图；图2a示出了用于进行本公开的方法的系统的一个示例性实施方案的示意图；图2b示出了用于进行本公开的方法的系统的另一示例性实施方案的示意图；图3示出了用于进行本公开的方法的一个示例性方法；图4示出了在经涂布和未经涂布的结构上水-冰的剪切位移相比于剪切力；图5示出了油中的水接触角和在峰值力下的剪切应力(MPa)相比于在不锈钢上的水-冰的表面粗糙度的关系；图6示出了相对于固体沥青质，未经涂布和经涂布的碳钢的剪切力相对于剪切位移；和图7示出了通过本文描述的方法和系统相对于通过常规辉光放电等离子体增强化学气相沉积而制得的涂层的拉曼光谱。具体实施方式本公开涉及存在于相对长的管状结构的内表面上的超疏水保形涂层，以及用于形成这种涂层的方法。特别地，本专利技术涉及缓解管状结构的内表面上的烃类水合物、有机沉积物和无机结垢的成核、生长和粘附的超疏水涂层。如上所述，水合物，特别是笼型水合物应理解为结晶水基固体，其中相对小的烃类或其他低分子量化合物被捕获于氢键键合的水分子内。换言之，水合物为包含两种组分的结晶化合物，所述两种组分包括形成氢键固体晶格结构的主体分子(或水分子)和捕获于所述主体分子中的客体分子(包括烃类或其他相对低分子量的化合物)。烃类被捕获，且在由水分子的氢键所形成的三维晶格结构内部不存在化学键合。烃类的非限制性的例子可包括甲烷、乙烷、丙烷、异丁烯、2-甲基丁烷、甲基环戊烷、甲基环己烷、环辛烷和它们的组合。其他非烃类水合物可包括二氧化碳、硫化氢、氮、氯等。如果气体和水在适当的相态条件下存在，则可形成水合物。在管道或井的情况中，水合物可在整体流中或在金属表面上(即流中或流边界的表面)形成。通常，金属表面边界的流比整体流更冷。更低的温度促进金属表面上的水合物形成，这可提供用于结晶晶格形成的成核位点。水可润湿金属，因此，笼型气体-水合物可由最初溶解于水相中气体分子形成。水合物成核可以以5nm至30nm的核尺寸发生。这些核为亚稳态的，并可附聚成尺寸范围为100至2000nm的更大的稳定水合物簇。在水相中的过饱和气体的条件下，相比于远离金属表面的气体-水界面，成核在水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沉积保形涂层的方法，其包括：在管状结构的内部体积内产生真空，其中所述管状结构包括内表面和所述内部体积；将气体供应至所述管状结构的所述内部体积，其中所述气体包括气相中的等离子体前体；使所述管状结构相对于接地偏压；形成具有密度的等离子体，并沿着所述管状结构的长度周期性设置所述等离子体密度；产生所述等离子体前体气体的正离子，所述正离子沉积于所述内表面上；和在所述内表面上形成涂层，其中所述涂层显示出大于120°的水接触角。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.11.21 US 13/683,6901.一种沉积保形涂层的方法，其包括：
在管状结构的内部体积内产生真空，其中所述管状结构包括内表
面和所述内部体积；
将气体供应至所述管状结构的所述内部体积，其中所述气体包括
气相中的等离子体前体；
使所述管状结构相对于接地偏压；
形成具有密度的等离子体，并沿着所述管状结构的长度周期性设
置所述等离子体密度；
产生所述等离子体前体气体的正离子，所述正离子沉积于所述内
表面上；和
在所述内表面上形成涂层，其中所述涂层显示出大于120°的水接
触角。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括围绕所述管状结构在外
部设置至少两个磁场线圈，并在所述管状结构的中空区域中形成密度
在1高斯至2,000高斯范围内的磁场。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将可变电流施加至每个磁场
线圈，在每个磁场线圈之间形成相位偏移，以周期性设置所述等离子
体密度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述等离子体前体包含六甲
基二硅氧烷。
5.根据权利要求4所述的方法，其还包括供应惰性气体，其中所
述气体以1:40至10:1的所述惰性气体/所述等离子体前体比供应至所
述内部体积。
6.根据权利要求1所述的方法，其还包括溅射清洁所述管状结构。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层包含50至60原子％
的碳、20至30原子％的氧和15至25原子％的硅。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述涂层包含56至57原子％
的碳、20至26原子％的氧和17至23原子％的硅。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在至多300埃的深度处所述
涂层包含如下键类型：
(a)相对浓度为38.5(±12)％的Si-O；
(b)相对浓度为25.6(±5)％的Si-C；
(c)相对浓度为4.5(±3)％的C-O；
(d)相对浓度为31.4(±2)％的C-C。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层具有大于120°至
155°的水接触角。
11.一种设置于管状结构上的保形涂层，其包括：
具有内表面和内部体积的管状结构；和
设置于所述内表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·米勒，魏荣华，G·J·哈顿，
申请(专利权)人：西南研究院，国际壳牌研究有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US