CN103740192A - 一种石墨烯改性的氟树脂涂料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯改性的氟树脂涂料，所述氟树脂涂料包括成膜物、常用助剂与溶剂，氟树脂涂料中加入石墨烯，所述石墨烯的加入量占氟树脂涂料的质量百分比为0.001-10%，所述氟树脂涂料中还加入了第一添加剂与第二添加剂，第一添加剂与第二添加剂的加入量占氟树脂涂料的质量百分比为0.1-3.5%。采用石墨烯提高氟树脂涂料的强度，其耐摩擦性能，与基材的附着力、耐冲击性、导热率均有显著提高，该涂料具有成本低，用量少，功效持久，使用简单方便的特点，可应用于建筑行业，家用不粘炊具，耐海洋生物污损，耐高温等国民经济和国防建设等众多领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种涂料，尤其涉及一种提高氟树脂涂料的强度，与基材的附着力、耐摩擦性能、耐冲击性能、耐腐蚀性能、提高导热率的石墨烯改性的氟树脂涂料。
背景技术
氟树脂涂料是指以氟树脂为主要成膜物质的涂料，又称氟碳漆、氟涂料等。在各种涂料中，氟树脂涂料由于引入的氟元素电负性大，碳氟键能强，耐候性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性较传统涂料由较大的提升。经过几十年的发展，氟涂料在建筑、化学工业、电气电子工业、机械工业、航空航天产业、家庭用品的各个领域得到广泛应用，成为继丙烯酸涂料、聚氨酯涂料、有机硅涂料之后，综合性能最好的涂料。但是氟树脂涂料的强度较低，与基材的附着力、耐冲击性能较差而限制了氟树脂涂料的应用。
2004年英国曼彻斯顿大学的Geim和Novoselov通过胶带剥离高定向石墨获得了独立存在的二维石墨烯（Gra-phene，GN）晶体以来，石墨烯已经成为材料科学领域极受关注的研究热点之一。石墨烯，实际上就是单原子层的石墨，它拥有独特的二维结构和优异的力学、热力学、光学和电学性能。
石墨烯是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，至吸收2.3%的光，导热系数高达5300W/m·k，高于碳纳米管和金刚石。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，具有强度高，比表面积大，高化学反应活性，高填充性的特点。
中国专利公告号CN103059665A，公告日2013年4月24日，名称为聚四氟乙烯涂料，该申请案公开了一种聚四氟乙烯涂料，包括填料、助剂，所述填料与助剂的质量比为8-9:1，所述填料为无机填料：二氧化二铬或者青铜粉，所述填料为有机填料：聚苯硫醚树脂，所述助剂为钛酸酯偶联剂、消泡剂和流平剂。还包括成膜剂醇酯十二。其不足之处在于，该配方虽然提高了氟树脂涂料的强度与附着力，但是其耐冲击性能较差。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有氟树脂涂料的强度较低，与基材的附着力、耐冲击性能较差的缺陷而提供一种提高氟树脂涂料的强度，与基材的附着力、耐摩擦性能、耐冲击性能、耐腐蚀性能、提高导热率的石墨烯改性的氟树脂涂料。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯改性的氟树脂涂料，所述氟树脂涂料包括成膜物、常用助剂与溶剂，氟树脂涂料中加入石墨烯，所述石墨烯的加入量占氟树脂涂料的质量百分比为0.001-10%，所述氟树脂涂料中还加入了第一添加剂与第二添加剂，第一添加剂与第二添加剂的加入量占氟树脂涂料的质量百分比为0-3.5%。
在本技术方案中，石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，它的机械强度是不锈钢的100倍，其热导率可以达到铜的十倍，石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，具有强度高，比表面积大，高化学反应活性，高填充性的特点；在现有的氟树脂涂料中加入石墨烯用以改性涂料的强度、耐摩擦性能、硬度与抗冲击性，石墨烯的高导热性也可以提高氟树脂涂料的导热率。
作为优选，所述石墨烯的加入量占氟树脂涂料的质量百分比为0.01-5%。
作为优选，所述石墨烯的加入量占氟树脂涂料的质量百分比为0.01-0.5%。
作为优选，第一添加剂为纳米Al2O3，纳米TiO2，纳米ZnO，钛酸钾中的一种或几种，第二添加剂为云母粉、膨润土、贝壳粉与纤维素的组合物，第一添加剂与第二添加剂的质量比为1：1-3。
在本技术方案中，纳米Al2O3，纳米TiO2，纳米ZnO，钛酸钾的加入使得氟树脂涂料的耐磨性能提高，在涂料中加入云母粉与贝壳粉用以提高耐冲击性能，增加涂料的耐酸、碱和电绝缘性能，提高涂料的抗冻性、抗腐蚀性、坚韧性和密实性、降低涂料的透气性，防止斑点和龟裂；纤维素为木质纤维素，不溶于水、弱酸和碱性溶液，可提高抗腐蚀性；比重小、比表面积大，具有优良的保温、隔热、隔声、绝缘和透气性能，具有优良的柔韧性及分散性，同时也具有很强的防冻和防热能力，在涂料中加入纤维素，进一步增加涂料的韧性，提高涂料的耐冲击性能，提高抗裂性能与耐热性能；膨润土可以防止涂料中的颜色沉淀结块，增强涂膜的抗水性、耐酸性，提高涂膜强度，提高油、水浮液稳定。
作为优选，所述石墨烯为单层片状结构，或所述石墨烯为层数在2-50层，层内为碳原子sp2杂化轨道组成六角形蜂巢状晶格、层间为碳原子以π键结合。
作为优选，所述石墨烯以粉末或浆料的形式添加。
作为优选，氟树脂涂料的成膜物为含氟有机物，优选PTFE，PVDF,FEVE中的一种或几种，溶剂为水、酮类溶剂、苯类溶剂或酯类溶剂中的一种，常用助剂为增塑剂、抗氧剂或防老剂。
作为优选，云母粉、膨润土、贝壳粉与纤维素的质量比为1：1：1-3:2-4。
作为优选，所述石墨烯中，碳元素与非碳元素质量比大于4:1，非碳元素选自氟、氮、氧、硫、氢、氯、溴、碘中一种或几种。
作为优选，所述石墨烯还包含有各种官能团的改性石墨烯，如羟基、羧基、羰基、氮基、氨基中的一种或几种。
本发明的有益效果是，采用石墨烯提高氟树脂涂料的强度，其耐摩擦性能，与基材的附着力、耐冲击性能、导热率均有显著提高，该涂料具有成本低，用量少，功效持久，使用简单方便的特点，可应用于建筑行业，家用不粘炊具，耐海洋生物污损，耐高温（战斗机）等国民经济和国防建设等众多领域。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步的解释：
本发明中，若非特指，所采用的原料均可从市场购得或是本领域常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
本发明中涉及到的氟树脂涂料所用的成膜物、常用助剂与溶剂为现有市售的氟树脂涂料所用的原料。
氟树脂涂料的成膜物为PTFE，PVDF,FEVE中的一种，溶剂为水、丁酮、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯或丙酸乙酯中的一种，增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛脂或邻苯二甲酸二异辛酯中的一种，抗氧剂为抗氧剂1010，防老剂为防老剂H；其配比与涂料的生产工艺采用现有生产氟树脂涂料的工艺。
木质素纤维购自河南省惠康实业总公司。
贝壳粉与云母粉均为市售材料。
膨润土购自信阳市平桥区宏程膨润土厂。
石墨烯原料，石墨烯粉、石墨烯浆料为市售，购自宁波墨西科技有限公司。
石墨烯为单层片状结构，或所述石墨烯为层数在2-50层，层内为碳原子sp2杂化轨道组成六角形蜂巢状晶格、层间为碳原子以π键结合；碳元素与非碳元素质量比大于4:1，非碳元素选自氟、氮、氧、硫、氢、氯、溴、碘中一种或几种。
所述石墨烯还包含有各种官能团的改性石墨烯，如羟基、羧基、羰基、氮基、氨基中的一种或几种。
实施例1
在氟树脂涂料中加入石墨烯浆料，搅拌均匀后静置2h，贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维先与水混合均匀，在90℃下处理4h，然后离心分离并在120℃下烘干得到第二添加剂；然后将第一添加剂与第二添加剂加入到涂料中，搅拌均匀后得到石墨烯改性的氟树脂涂料。其中，石墨烯的加入量占涂料的质量百分比为0.01%，第一添加剂与第二添加剂加入量占涂料的质量百分比为0.1%，第一添加剂为纳米Al2O3，第一添加剂与第二添加剂的质量比为1：1；第二添加剂中贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维的质量比为1：3：2。
实施例2
在氟树脂涂料中加入石墨烯浆料，搅拌均匀后静置2h，贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维先与水混合均匀，在90℃下处理4h，然后离心分离并在120℃下烘干得到第二添加剂；然后将第一添加剂与第二添加剂加入到涂料中，搅拌均匀后得到石墨烯改性的氟树脂涂料。其中，石墨烯的加入量占涂料的质量百分比为0.1%，第一添加剂与第二添加剂加入量占涂料的质量百分比为1.5%，第一添加剂为纳米TiO2，纳米ZnO，纳米TiO2与纳米ZnO的质量比为1:1，第一添加剂与第二添加剂的质量比为1：2；第二添加剂中贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维的质量比为1：2：3。
实施例3
在氟树脂涂料中加入石墨烯粉末，搅拌均匀后静置2h，贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维先与水混合均匀，在90℃下处理4h，然后离心分离并在120℃下烘干得到第二添加剂；然后将第一添加剂与第二添加剂加入到涂料中，搅拌均匀后得到石墨烯改性的氟树脂涂料。其中，石墨烯的加入量占涂料的质量百分比为0.5%，第一添加剂与第二添加剂加入量占涂料的质量百分比为3.5%，第一添加剂为纳米TiO2，纳米ZnO，纳米TiO2与纳米ZnO的质量比为1:2，第一添加剂与第二添加剂的质量比为1：3；第二添加剂中贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维的质量比为1：1：4。
实施例4
在氟树脂涂料中加入石墨烯粉末，搅拌均匀后静置2h，贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维先与水混合均匀，在90℃下处理4h，然后离心分离并在120℃下烘干得到第二添加剂；然后将第一添加剂与第二添加剂加入到涂料中，搅拌均匀后得到石墨烯改性的氟树脂涂料。其中，石墨烯的加入量占涂料的质量百分比为0.08%，第一添加剂与第二添加剂加入量占涂料的质量百分比为1.5%，第一添加剂为钛酸钾，第一添加剂与第二添加剂的质量比为1：2；第二添加剂中贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维的质量比为1：2：3。
实施例5
在氟树脂涂料中加入石墨烯粉末，搅拌均匀后静置2h，贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维先与水混合均匀，在90℃下处理4h，然后离心分离并在120℃下烘干得到第二添加剂；然后将第一添加剂与第二添加剂加入到涂料中，搅拌均匀后得到石墨烯改性的氟树脂涂料。其中，石墨烯的加入量占涂料的质量百分比为5%，第一添加剂与第二添加剂加入量占涂料的质量百分比为2%，第一添加剂为钛酸钾，第一添加剂与第二添加剂的质量比为1：2；第二添加剂中贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维的质量比为1：2：3。
实施例6
在氟树脂涂料中加入石墨烯粉末，搅拌均匀后静置2h，贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维先与水混合均匀，在90℃下处理4h，然后离心分离并在120℃下烘干得到第二添加剂；然后将第一添加剂与第二添加剂加入到涂料中，搅拌均匀后得到石墨烯改性的氟树脂涂料。其中，石墨烯的加入量占涂料的质量百分比为10%，第一添加剂与第二添加剂加入量占涂料的质量百分比为1.5%，第一添加剂为钛酸钾，第一添加剂与第二添加剂的质量比为1：2；第二添加剂中贝壳粉、膨润土、云母粉与木质素纤维的质量比为1：2：3。
实施例7
在氟树脂涂料中加入石墨烯浆料，搅拌均匀后得到石墨烯改性的氟树脂涂料。其中，石墨烯的加入量占涂料的质量百分比为0.001%。
对比例1，市售的氟树脂涂料，购自上海齐耐润工贸有限公司。
对比例2，所用配方与制法与实施例1相同，唯一区别是没有加入石墨烯。
将实施例1-3与对比例1-2的氟树脂涂料分散均匀喷涂到不粘锅表面，测试其耐摩擦性和附着力性能，数据如下：
表1、测试结果
| 附着力测试 | 耐磨性测试/次 | |
| 实施例1 | 0级 | 4500 |
| 实施例2 | 0级 | 4400 |
| 实施例3 | 0级 | 5000 |
| 对比例1 | 2级 | 2000 |
| 对比例2 | 1级 | 2800 |
从表1可见，本发明的氟树脂涂料的耐磨性能明显优于对比例1-2的氟树脂涂料，在现有的氟树脂涂料中加入石墨烯用以改性涂料的强度、硬度与抗冲击性，在涂料中加入云母粉与贝壳粉用以提高耐冲击性能，增加涂料的耐酸、碱和电绝缘性能，提高涂料的抗冻性、抗腐蚀性、坚韧性和密实性、降低涂料的透气性，防止斑点和龟裂；在涂料中加入纤维素，进一步增加涂料的韧性，提高涂料的耐冲击性能，提高抗裂性能。
将实施例4-7与对比例1-2的氟树脂涂料进行耐盐雾性能测试、耐腐蚀测试与导热效果测试，测试结果见表2。
耐盐雾性能测试：将样品放入盐雾机中用盐水（浓度为5重量%，pH值为6.5-7.2）在35℃下喷雾2小时，再使样品在40℃和相对湿度93%的环境中保持168小时，然后使用Data physics公司OCA系列接触角测量仪测定样品的表面能。
耐腐蚀测试：将实施例4-7与对比例1-2的氟树脂涂料涂覆在碳钢试片上，然后将其中实施例4-5，对比例1的试片浸入60%的硝酸溶液，另外实施例6-7，对比例2的试片浸入60%的烧碱溶液，2小时候拿出待自然干燥后再浸入2小时后，观察试片表面。
导热效果测试方法如下：
将200mL、25℃的纯净水，置于已涂覆实施例4-7与对比例1-2的器皿内，然后放置在功率为1KW的电加热炉上，开始加热并计时，至水温90℃，停止加热并记录加热时长，通过加热时长判断导热效果。
表2、测试结果
| 样品名 | 表面能（mN/m） | 60%硝酸 | 60%烧碱 | 加热时长/s |
| 实施例4 | 19.8 | 无变化 | 无变化 | 150 |
| 实施例5 | 19.6 | 无变化 | 无变化 | 115 |
| 实施例6 | 19.5 | 无变化 | 无变化 | 100 |
| 实施例7 | 19.1 | 无变化 | 无变化 | 170 |
| 对比例1 | 35.7 | 微黄 | 微黄 | 240 |
| 对比例2 | 28.1 | 微黄 | 微黄 | 220 |
由表2可见，本发明得到的氟树脂涂料的耐盐雾性能、耐腐蚀性能明显优于现有传统的氟树脂涂料，导热效果由于石墨烯的加入量不同而略有不同，但是与普通氟树脂涂料相比，本发明导热效果显著提高。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (10)
1.一种石墨烯改性的氟树脂涂料，所述氟树脂涂料包括成膜物、常用助剂与溶剂，其特征在于，氟树脂涂料中加入石墨烯，所述石墨烯的加入量占氟树脂涂料的质量百分比为0.001-10%，所述氟树脂涂料中还加入了第一添加剂与第二添加剂，第一添加剂与第二添加剂的加入量占氟树脂涂料的质量百分比为0-3.5%。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性的氟树脂涂料，其特征在于，所述石墨烯的加入量占氟树脂涂料的质量百分比为0.01-5%。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯改性的氟树脂涂料，其特征在于，所述石墨烯的加入量占氟树脂涂料的质量百分比为0.01-0.5%。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性的氟树脂涂料，其特征在于，第一添加剂为纳米Al2O3，纳米TiO2，纳米ZnO，钛酸钾中的一种或几种，第二添加剂为云母粉、膨润土、贝壳粉与纤维素的组合物，第一添加剂与第二添加剂的质量比为1：1-3。
5.根据权利要求1 或2或3所述的一种石墨烯改性的氟树脂涂料，其特征在于，石墨烯为单层片状结构，或所述石墨烯为层数在2-50层，层内为碳原子sp2杂化轨道组成六角形蜂巢状晶格、层间为碳原子以π键结合。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种石墨烯改性的氟树脂涂料，其特征在于，所述石墨烯以粉末或浆料的形式添加。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性的氟树脂涂料，其特征在于，氟树脂涂料的成膜物为含氟有机物，优选PTFE，PVDF,FEVE中的一种或几种，溶剂为水、酮类溶剂、苯类溶剂或酯类溶剂中的一种，常用助剂为增塑剂、抗氧剂或防老剂。
8.根据权利要求4所述的一种石墨烯改性的氟树脂涂料，其特征在于，云母粉、膨润土、贝壳粉与纤维素的质量比为1：1：1-3:2-4。
9.根据权利要求5所述的一种石墨烯改性的氟树脂涂料，其特征在于，所述石墨烯中，碳元素与非碳元素质量比大于4:1，非碳元素选自氟、氮、氧、硫、氢、氯、溴、碘中一种或几种。
10.根据权利要求5所述的一种石墨烯改性的氟树脂涂料，其特征在于，所述石墨烯还包含有各种官能团的改性石墨烯，如羟基、羧基、羰基、氮基、氨基中的一种或几种。
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