CN103555016A - 一种耐高温耐磨石墨烯涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐高温耐磨石墨烯涂料，其特征在于：其由以下重量百分比的组份组成：硅酸盐35.0-60.0wt%，石墨烯0.01-20.0wt%，助剂0.1%-25.0wt%，余量为作为溶剂的水。本发明还提供了制备上述涂料的方法。本发明之石墨烯耐高温耐磨涂料可以涂刷在管道、化工设备、仓储、窑炉、医药、航天、污水等上很好的保护基体，延长基体的使用寿命，涂料性能远远大于普通材料。

Description

一种耐高温耐磨石墨烯涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂料技术领域，尤其是涉及一种耐高温耐磨石墨烯涂料及其制备方法。

 

背景技术

石墨烯可以看作是被剥离的石墨单片层，只有一个碳原子层的厚度（0.35 nm），碳原子之间成六角环形排列，每个碳原子通过σ键与其他三个碳原子紧密相连，C-C键使得石墨烯具有优异的力学性质。碳原子间的强大作用力使其成为目前己知的力学强度最高的材料，并可作为添加剂广泛应用于新型高强度复合材料之中。

石墨烯具有超硬特性(110GPa)，比钻石还硬。石墨烯还具有超高的强度，比世界上最好的钢铁还要高上100倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。虽然它很结实，但是柔韧性跟塑料包装一样好，可以随意弯曲、折叠或者像卷轴一样卷起来。石墨烯导热性远超一切其他材料，在塑料里掺入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30℃。此外，石墨烯还具有优良的润滑、耐腐蚀性能。石墨烯微片与其它材料的结合，可以大幅度提高许多材料的润滑度、耐腐蚀性，材料的性能将得到极佳的改善。 

 摩擦腐蚀理论认为，高温下当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时，在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的摩擦作用力。如果摩擦还带有腐蚀，产生危害就不是可以忽视的。研究发现，摩擦腐蚀对于摩擦基体产生的氧化物可导致局部应力，引起疲劳裂纹，甚至粘结，还可能改变接触电阻，从而影响弱电流继电器的功能。产生该种摩擦腐蚀的机理有磨损-氧化和氧化-磨损两种。摩擦腐蚀理论认为在受压的金属界面上，某些微小突起部分发生冷焊，然后在相对运动过程中，冷焊区局部断裂，形成很小的金属碎屑，因摩擦腐蚀热又将其氧化。这个过程的反复进行，在界面上形成小坑或细槽，并积存氧化物碎屑。后种理论认为大多数金属表面都有一层氧化膜，某些微小突起部分的氧化膜在高压下破裂成碎片，暴露出的新鲜表面被重新氧化或冷焊，然后在相对运动过程中，使冷焊区或氧化膜局部破裂，摩擦腐蚀热又将金属或金属碎片氧化，如此反复，使接触面受到损坏。由此看出摩擦腐蚀产生的基本条件是接触面必须承受载荷，接触面间必须存在振动或反复的相对移动，接触面的载荷和相对运动足以使表面产生滑动或变形。

有鉴于上述石墨烯作为涂料的技术优势，可以避免材料表面发生上述摩擦腐蚀理论中高温或/和摩擦情况下出现的问题。本发明提供一种由石墨烯为主要原料的涂料，目前市场上没有这种涂料。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温耐磨石墨烯涂料及其制备方法。

所制备的导热耐磨石墨烯涂料以功能化石墨烯为涂料主体，硅酸盐作为连接料，助剂包括偶联剂、促进剂、流平剂、消泡剂、润湿分散剂和成膜助剂等，水作为涂料的溶剂。

具体的，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种耐高温耐磨石墨烯涂料，其由以下重量百分比的组份组成：硅酸盐35.0-60.0wt%，石墨烯0.01-20.0wt%，助剂0.1 %-25.0 wt%，余量为作为溶剂的水。 

所述石墨烯是由化学掺杂或者化学改性而获得的功能石墨烯或石墨烯。

选择石墨烯作为涂料主要成分的原因是：石墨烯的主体部分由稳定的六元环构成，每个碳原子通过σ键与其他三个碳原子紧密相连，C-C键使得石墨烯具有优异的力学性质。石墨烯边沿及缺陷部位具有较高的反应活性，可以通过与石墨烯边沿的羧基、羟基和环氧键等活性基团改性反应引入，可以利用多种化学反应对石墨烯进行共价键功能化。通过引入特定的官能团，还可以赋予石墨烯新的性质，进一步拓展其应用领域。  

所述硅酸盐包括碱金属（主要有K、Ca、Na、Fe、Mg、Al、Mn等）硅酸盐水溶液和胶体二氧化硅的水分散液。硅酸在溶液中的浓度高于溶解度时发生聚合，聚合作用是硅酸的重要性质，即单硅酸聚合成低聚硅酸，再聚合成高聚硅酸。

所述助剂包括：偶联剂、润湿分散剂、消泡剂、脱泡剂、流平剂中的一种或多种。所述偶联剂包括硅烷类、钛酸酯类、铝酸化合物中的一种或多种混合物，其可以提高湿态下的粘合力、耐候性，改善石墨烯分散性，提高耐磨性和树脂的交联，提高粘合力的浸润性。所述流平剂为丙烯酸类流平剂、氟类流平剂、有机硅流平剂等；所述消泡剂为有机硅氧烷、聚醚、硅和醚接枝或胺类；所述成膜助剂为丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯、醇酯十二等。

本发明还提供上述的耐高温耐磨石墨烯涂料的制备方法，以制备其内含有50g石墨烯的耐高温耐磨石墨烯涂料为例，其包括以下步骤：

首先将水、消泡剂、脱泡剂、流平剂、硅酸盐水溶液和胶体二氧化硅在高速分散釜内分散混合，并经砂磨机砂磨制备好料浆，过滤后制成A混合物；然后将石墨烯、润湿分散剂和水加入调和釜搅拌，经过改性反应后制得B混合物；最后将B混合物加入到含有A混合物的调和釜内慢速搅拌，再加入偶联剂、PH调节剂、增稠剂溶液，搅拌后过滤，可制得高性能无机涂料。

氧化石墨烯的改性、改性石墨烯与可化学反应的偶联剂的溶液共混和硅溶胶的原位热交联，将石墨烯原料进行改性生成功能性石墨烯。

在该复合材料中，改性石墨烯均匀分散且呈层状排列分布，并且由于改性石墨烯与硅溶胶之间通过原位热交联反应形成共价键作用力，复合材料具有优异的界面结合性能。

需要说明的是：本发明之耐高温耐磨石墨烯涂料的使用温度为-20~50℃。

与现有技术相比，本发明的具有以下优点：

本发明制备的导热耐磨石墨烯涂料为水性液体状，不具有挥发性，在很宽的温度范围内，化学稳定性和热稳定性好，不燃，无腐蚀，实施方便。

本发明的导热耐磨石墨烯涂料优点在于，涂料当中如果有石墨烯成分，将大大提高其防腐、防渗透性、导热性能、导电性能。石墨烯微片具有纳米厚度，容易与其它材料如聚合物材料均匀复合，并形成良好的复合界面。所以，石墨烯微片可以将石墨烯的高强度、润滑、耐高温以及导电特性带到复合材料当中。石墨烯微片的加入可以使原来的强度、硬度更高，可以使涂料的耐腐蚀性改善、耐磨性提高；此外，石墨烯微片还将赋予复合材料涂料优良的导电、抗静电性能。

本发明的耐高温耐磨石墨烯涂料是由无机聚合物和经过分散活化的石墨烯、助剂组成的无机聚合物涂料，通过化学键与基体牢固结合的无机聚合物防腐涂层，对环境无污染，使用寿命长。石墨烯涂料能为防磨基体提供一种具有高耐磨性、高耐热、抗冲击、高附着力、坚韧的保护涂层，涂层能够导热，使被涂物表面热量均匀分布、热量扩散传导出去，具有与基材匹配的温度-线膨胀系数，不致因产生内应力或热应力而使涂层遭到破坏，避免摩擦腐蚀理论中的氧化、破裂情形出现。本发明之石墨烯耐高温耐磨防腐涂料可以涂刷在管道、化工设备、仓储、窑炉、医药、航天、污水等上很好的保护基体，延长基体的使用寿命，涂料性能远远大于普通材料。

 

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

本实施例提供一种耐高温耐磨石墨烯涂料的配方。具体的，所述涂料由以下重量百分比的组份组成：硅酸盐40 wt%，石墨烯5 wt%，助剂包括：润湿分散剂1 wt%、消泡剂2 wt%、流平剂 2 wt%，余量为作为溶剂的水。 

所述石墨烯是由化学掺杂或者化学改性而获得的功能石墨烯或石墨烯。

所述硅酸盐包括碱金属（主要有K、Ca、Na、Fe、Mg、Al、Mn等）硅酸盐水溶液和胶体二氧化硅的水分散液。硅酸在溶液中的浓度高于溶解度时发生聚合，聚合作用是硅酸的重要性质，即单硅酸聚合成低聚硅酸，再聚合成高聚硅酸。

所述助剂包括：偶联剂、润湿分散剂、消泡剂、脱泡剂、流平剂中的一种或多种。所述偶联剂包括硅烷类、钛酸酯类、铝酸化合物中的一种或多种混合物，

实施例2

本实施例提供一种制备内含100g石墨烯的耐高温耐磨石墨烯涂料的方法：

将水500 g、消泡剂（BYK-028）1 g、流平剂（BYK-420）1g、硅酸钠水溶液（湖北兴银河化工有限公司）300 g和胶体二氧化硅（广东海化化工有限公司）100 g在高速分散釜内分散混合，并经砂磨机砂磨制备好料浆，过滤后制成A混合物；

然后将石墨烯(宁波墨西科技有限公司)100 g、润湿分散剂(BYK-2155) 3 g和水500 g加入调和釜搅拌，经过改性反应后制得B混合物；

最后将B混合物加入到含有A混合物的调和釜内慢速搅拌，再加入偶联剂（Tego）、PH调节剂、增稠剂溶液，搅拌后过滤，可制得石墨烯涂料。

该石墨烯涂料固化涂装在物体表面后，涂料可在摩擦条件下耐高温3000℃。

实施例3

本实施例提供另一种制备内含100g石墨烯的耐高温耐磨石墨烯涂料的方法：

将水400 g、脱泡剂（BYK-028）1 g、分散剂（BYK-2155）5g、硅酸钠水溶液（湖北兴银河化工有限公司）200 g和胶体二氧化硅（广东海化化工有限公司）150 g在高速分散釜内分散混合，并经砂磨机砂磨制备好料浆，过滤后制成A混合物；

然后将石墨烯(宁波墨西科技有限公司)100 g、润湿分散剂(BYK-2155) 1 g和水500 g加入调和釜搅拌，经过改性反应后制得B混合物；

最后将B混合物加入到含有A混合物的调和釜内慢速搅拌，再加入偶联剂（Tego）、PH调节剂、增稠剂溶液，搅拌后过滤，可制得石墨烯涂料。

该石墨烯涂料固化涂装在物体表面后，涂料可在摩擦条件下耐高温2800℃。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种耐高温耐磨石墨烯涂料，其特征在于：其由以下重量百分比的组份组成：硅酸盐35.0-60.0wt%，石墨烯0.01-20.0wt%，助剂0.1 %-25.0 wt%，余量为作为溶剂的水。

2.根据权利要求1所述的耐高温耐磨石墨烯涂料，其特征在于：所述石墨烯是由化学掺杂或者化学改性而获得的功能石墨烯或石墨烯。

3.根据权利要求1所述的耐高温耐磨石墨烯涂料，其特征在于：所述硅酸盐包括碱金属K、Ca、Na、Fe、Mg、Al或Mn硅酸盐水溶液和胶体二氧化硅的水分散液。

4.根据权利要求1所述的耐高温耐磨石墨烯涂料，其特征在于：所述助剂包括：偶联剂、润湿分散剂、消泡剂、脱泡剂、流平剂、PH调节剂、增稠剂中的一种或多种；所述偶联剂包括硅烷类、钛酸酯类、铝酸化合物中的一种或多种混合物；所述流平剂为丙烯酸类流平剂、氟类流平剂或有机硅流平剂；所述消泡剂为有机硅氧烷、聚醚、硅和醚接枝或胺类；所述成膜助剂为丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯或醇酯十二。

5.一种制备耐高温耐磨石墨烯涂料的方法，其特征在于：包括以下步骤：首先将水、消泡剂、脱泡剂、流平剂、硅酸盐水溶液和胶体二氧化硅在高速分散釜内分散混合，并经砂磨机砂磨制备好料浆，过滤后制成A混合物；然后将石墨烯、润湿分散剂和水加入调和釜搅拌，经过改性反应后制得B混合物；最后将B混合物加入到含有A混合物的调和釜内慢速搅拌，再加入偶联剂、PH调节剂、增稠剂溶液，搅拌后过滤，制备完毕。