CN105419437B - 一种石墨烯改性配套防腐涂层及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及防腐涂料，具体的说是一种石墨烯改性配套防腐涂层及其制备和应用。配套防腐涂层由底漆、中间漆和面漆组成；其中，底漆和中间漆为改性的石墨烯涂层，面漆为聚氨酯面漆或氟碳面漆；所述改性的石墨烯涂层为将以表面活性剂为改性剂与石墨烯混合进行改性，而后均匀分散在有机溶剂中，再添加到有机树脂、固化剂、助剂中，即可。本发明配套防腐涂具有优异的防水渗透性能和耐盐雾性能，工艺简单，成本低廉。可以作为重防腐涂料涂覆在输油管道、存储油罐、化工设备、船舶、海洋平台等基体上，延长金属基体的服役寿命。

Description

一种石墨烯改性配套防腐涂层及其制备和应用
技术领域
本发明涉及防腐涂料，具体的说是一种石墨烯改性配套防腐涂层及其制备和应用。
背景技术
石墨烯良好的疏水性能，可以有效抑制水分子在涂层中表面吸附。将少量石墨烯添加在高分子聚合物或有机涂层中就能有效地改善母体材料的性能。石墨烯可以利用二维片层结构在涂料中层层叠加，形成致密的物理隔绝层，小分子腐蚀介质(水分子、氯离子等)很难通过这层致密的隔绝层，起到了突出的物理隔绝作用。将石墨烯改性后的树脂做成配套涂料应用更有实际意义和实用价值。目前，包括底漆、中间漆和面漆在内的三层配套涂料是应用最广泛的涂料。
发明内容
针对现有石墨烯改性涂层未与面漆配套使用的不足，本发明主要目的在于提供一种石墨烯改性配套防腐涂层及其制备和应用。
为实现发明目的，本发明的技术路线如下：
一种石墨烯改性配套防腐涂层，配套防腐涂层由底漆、中间漆和面漆组成；其中，底漆和中间漆为改性的石墨烯涂层，面漆为聚氨酯面漆或氟碳面漆；所述改性的石墨烯涂层为将以表面活性剂为改性剂与石墨烯混合进行改性，而后均匀分散在有机溶剂中，再添加到有机树脂、固化剂、助剂中，即可。
所述改性剂与石墨烯按质量比为1:10～10:1混合，混合后加入至过量的有机溶剂中，超声分散；分散后的石墨烯溶液添加到有机树脂中，然后依次添加助剂，以1000r/min的速度搅拌，混合均匀，加入固化剂；其中，树脂与固化剂的比例为2:1～1：1，助剂占树脂重量分数的2.5％～4.5％。
所述改性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠或聚乙烯吡络烷酮；所述石墨烯的平均厚度为100nm及以上的单层石墨烯和/或多层石墨烯；所述树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸聚氨酯树脂和氨基树脂中的一种或几种；所述助剂为按重量份数计，0.5-1份流平剂，1-1.5份消泡剂和1-2份硅烷偶联剂组成。
其中，有机树脂所对应的固化剂为树脂专用固化剂，其中，流平剂为BYK333，消泡剂为GPE10，硅烷偶联剂为KH550。
一种石墨烯改性配套防腐涂层的制备方法：
1)以表面活性剂为改性剂，溶解到有机溶剂中，待用；
2)将石墨烯按一定比例加入至上述有机溶剂，其中石墨烯与改性剂的质量比为2:1～1:1，后超声分散均匀；
3)将改性的石墨烯分散液加入有机树脂中，依次加入2.5～4.5份助剂，搅拌均匀，得有机树脂分散液；
4)将固化剂加入到步骤3)所得有机树脂分散液中，充分搅拌均匀，而后烘干即得到改性的石墨烯涂层；
5)将上述所得改性的石墨烯涂层作为底漆和中间漆，而后再在中间漆上涂覆面漆，即获得石墨烯改性配套防腐涂层。
所述有机溶剂为甲苯、二甲苯、丙酮、四氢呋喃、乙醇或二甲基亚砜。
所述改性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠或聚乙烯吡络烷酮；所述石墨烯的平均厚度为100nm及以上的单层石墨烯和/或多层石墨烯；所述树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸聚氨酯树脂和氨基树脂中的一种或几种；所述助剂为按重量份数计，0.5-1份流平剂，1-1.5份消泡剂和1-2份硅烷偶联剂。
一种石墨烯改性配套防腐涂层的应用，所述石墨烯改性配套防腐涂层作为应用于输油管道、化工设备、船舶或海洋平台的金属设备中，作为防腐蚀的涂料。
将上述获得涂层刷涂或喷涂在金属表面，进而使金属得以缓蚀保护。
所述金属为钢桩、输油管道、化工设备、船舶或海洋平台金属设备。
本发明所具有优点：
本发明利用表面活性剂改性石墨烯，可使石墨烯在甲苯、丙酮和乙醇等有机溶剂中均匀分散，然后添加到树脂中，可以有效防止石墨烯在树脂中团聚，使本发明涂层包含石墨烯改性底漆、石墨烯改性中间漆和面漆，其是将石墨烯表面修饰后，均匀分散到有机树脂中固化成底漆和中间漆，不仅增强了涂层与金属基体之间的附着力，还增加了涂层与面漆之间的附着力，使涂层具有良好的防护性能。本发明与其他类似涂层相比，固化成膜后兼具良好的附着力、抗水、抗盐水渗透性能，工艺简单，成本低廉，具有优异的防腐效果，防护能力强。
附图说明
图1为本发明实施例提供的石墨烯表面修饰前后的X射线衍射图；
图2(a)为本发明实施例提供的改性和未改性涂层在3.5％NaCl溶液中浸泡Nyquist变化图；
图2(b)为本发明实施例提供的改性和未改性涂层在3.5％NaCl溶液中浸泡Bode变化图；
图3为本发明实施例提供的未改性涂层在3.5％NaCl溶液中浸泡的形貌变化图；
图4为本发明实施例提供的石墨烯改性涂层在3.5％NaCl溶液中浸泡的形貌变化图；
图5为本发明实施例提供的改性和未改性涂层在1500h盐雾试验中的拉拔附着力变化图。
具体实施方式
本发明经过广泛而深入的研究，获得石墨烯三层配套防腐涂料，所制涂料，与金属基体结合力大、与面漆兼容性好，固化成膜后兼具良好的附着力、抗水、抗氯离子渗透性能，工艺简单，成本低廉，为金属的防腐提供新技术。
本发明制得石墨烯三层配套防腐涂料，通过自然浸泡10天后，破坏处周围涂层未发生严重腐蚀，相对于空白涂层，破坏处金属腐蚀产物明显减少；通过模拟海水(3.5％NaCl溶液)浸泡实验，采用GAMRY3000电化学工作站测试，发现改性配套涂层可以延长有机涂层的耐剥离时间约2-5倍。
本发明所提供的物质可以通过市售原料或传统化学转化方式合成。
本发明的其他方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。
具体实施方式
以下结合具体实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
实施例1改性石墨烯的制备
将2.0g石墨烯加入到10g的去离子水中；加入4.0g六偏磷酸钠分散剂，充分搅拌使粉体颗粒充分分散；在浆液中缓慢滴加盐酸，调节浆液pH值为3～5；再加入2.72g作为改性剂的十二烷基苯磺酸钠，缓慢搅拌30min，挪至超声清洗仪中，继续恒温超声30min，使其充分反应；用去离子水反复过滤洗涤后，取滤渣在110～135℃温度烘干，干燥冷却后研磨得到改性的石墨烯；将表面修饰过后的石墨烯进行XRD表征。图1为石墨烯改性前后的XRD谱图。从图中可以看出，改性前后，石墨烯的晶体结构未发生变化。
实施例2石墨烯改性环氧配套涂层体系的制备
取0.1g上述获得改性后的石墨烯，将其添加到过量的乙醇中，超声1小时，然后充分搅拌，使其分散均匀；将分散液加入到48.5g环氧树脂(购自济南天茂树脂化工公司)中，之后加入0.6g流平剂(BYK371)、0.9g消泡剂(BYK085)、1.1g硅烷偶联剂(KH550)，充分搅拌均匀；将48.5g固化剂(购自肥城德源化工有限公司)加入到所配制的有机树脂分散液中，充分搅拌均匀，刮涂在金属试板表面，再将其置于60℃烘箱中，彻底除去有机溶剂，即可得到底漆。将制好的涂层试板放在60℃烘箱中进行干燥，待上一道漆干燥24h后再重复涂刷一道，作为中间漆。而后再按照涂覆中间漆的方式涂覆聚氨酯面漆涂层(购自宁波飞轮造漆有限公司)，继而获得石墨烯改性环氧配套涂层体系。
实施例3石墨烯改性聚氨酯配套涂层体系的制备
取0.1g改性后的石墨烯，将其添加到过量乙醇中，超声1小时，然后充分搅拌，使其分散均匀。将所制含有石墨烯的分散液加到80g聚氨酯树脂中(购自宁波飞轮造漆有限公司)，依次加入0.6g流平剂(BYK371)、0.9g消泡剂(BYK085)、1.1g硅烷偶联剂(KH560)和13.6g聚氨酯固化剂，搅拌均匀，刮涂在金属试板表面，再将其置于60℃烘箱中，彻底除去有机溶剂，即可得到底漆。将制好的涂层试板放在60℃烘箱中进行干燥，待上一道漆干燥24h后再重复涂刷一道，作为中间漆。而后再按照涂覆中间漆的方式涂覆聚氨酯面漆涂层(购自宁波飞轮造漆有限公司)，继而获得石墨烯改性聚氨酯配套涂层体系。
实施例4石墨烯改性丙烯酸涂层体系的制备
称取0.1g改性后的石墨烯，将其添加到过量乙醇中，超声1小时，然后充分搅拌，使其分散均匀。将所制含有石墨烯的分散液加到80g丙烯酸树脂中(购自购自宁波飞轮造漆有限公司)，依次加入0.6g流平剂(BYK371)、0.9g消泡剂(BYK085)、1.1g硅烷偶联剂(KH550)和24g丙烯酸固化剂，搅拌均匀，刮涂在金属试板表面，再将其置于60℃烘箱中，彻底除去有机溶剂，即可得到底漆。将制好的涂层试板放在60℃烘箱中进行干燥，待上一道漆干燥24h后再重复涂刷一道，作为中间漆。而后再按照涂覆中间漆的方式涂覆聚氨酯面漆涂层(购自海洋化工研究院有限公司)，继而获得石墨烯改性丙烯酸涂层体系。
实施例5
(1)上述石墨烯改性配套涂层体系的防腐性能
在模拟海水(3.5％NaCl溶液)中评价上述制备获得石墨烯改性配套涂层体系的耐蚀性能。采用美国GAMRY3000电化学工作站，以电化学交流阻抗技术分析石墨烯对环氧涂层的作用机理。以带有鲁金毛细管的饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为对电极，石墨烯改性涂层/碳钢电极为工作电极，在模拟海水溶液中浸泡使开路电位(OCP)稳定后，在OCP下以正弦波扰动幅值10mV，频率范围为100kHz-0.01Hz进行EIS扫描。交流阻抗结果见图2(a)和(b)。由图2可见涂层中含石墨烯时，从浸泡第1天开始至10天结束，其阻抗值一直大于空白涂层的阻抗。说明添加石墨烯的涂层相对于空白涂层，碳钢耐Cl-侵蚀能力都比较强，涂层中石墨烯对Cl-诱导的局部腐蚀具有明显的抑制作用，提高了环氧涂层的防腐性能。
(2)上述石墨烯改性配套涂层体系的耐盐雾性能
在3.5％的氯化钠溶液中对破坏后的涂层进行浸泡试验，观察基底金属的腐蚀速率。空白环氧涂层以及石墨烯改性环氧涂层在不同盐水浸泡时间下的实验结果如图3和图4所示。实验结果表明，在第7天，空白涂层破坏处已经完全锈蚀，而添加0.1wt.％石墨烯改性涂层在破坏处部分锈蚀，因此，被石墨烯改性后的配套涂层的耐腐蚀性能要明显优于空白涂层。
(3)上述石墨烯改性配套涂层体系的附着力性能
以3.5％的氯化钠溶液涂层进行中性喷雾试验1500h，采用拉拔法测试涂层与基体之间的附着力变化，如图5所示。在盐雾试验过程中，石墨烯改性配套涂料的平均附着力明显高于未改性配套涂层的附着力。

Claims (6)

1.一种石墨烯改性配套防腐涂层，其特征在于：配套防腐涂层由底漆、中间漆和面漆组成；其中，底漆和中间漆为改性的石墨烯涂层，面漆为聚氨酯面漆或氟碳面漆；所述改性的石墨烯涂层为将以表面活性剂为改性剂与石墨烯混合进行改性，而后均匀分散在有机溶剂中，再添加到有机树脂、固化剂、助剂中，即可；
所述改性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠或聚乙烯吡络烷酮；所述石墨烯的平均厚度为100nm及以上的单层石墨烯和/或多层石墨烯；所述树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸聚氨酯树脂和氨基树脂中的一种或几种；所述助剂为按重量份数计，0.5-1份流平剂，1-1.5份消泡剂和1-2份硅烷偶联剂组成。
2.按权利要求1所述的石墨烯改性配套防腐涂层，其特征在于：所述改性剂与石墨烯按质量比为1:10～10:1混合，混合后加入至过量的有机溶剂中，超声分散；分散后的石墨烯溶液添加到有机树脂中，然后依次添加助剂，以1000r/min的速度搅拌，混合均匀，加入固化剂；其中，树脂与固化剂的比例为2:1～1：1，助剂占树脂重量分数的2.5％～4.5％。
3.一种权利要求1所述的石墨烯改性配套防腐涂层的制备方法，其特征在于：
1)以表面活性剂为改性剂，溶解到有机溶剂中，待用；
2)将石墨烯按一定比例加入至上述有机溶剂，其中石墨烯与改性剂的质量比为2:1～1:1，后超声分散均匀；
3)将改性的石墨烯分散液加入有机树脂中，依次加入2.5～4.5份助剂，搅拌均匀，得有机树脂分散液；
4)将固化剂加入到步骤3)所得有机树脂分散液中，充分搅拌均匀，而后烘干即得到改性的石墨烯涂层；
5)将上述所得改性的石墨烯涂层作为底漆和中间漆，而后再在中间漆上涂覆面漆，即获得石墨烯改性配套防腐涂层。
4.按权利要求3所述的石墨烯改性配套防腐涂层的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为甲苯、二甲苯、丙酮、四氢呋喃、乙醇或二甲基亚砜。
5.按权利要求3所述的石墨烯改性配套防腐涂层的制备方法，其特征在于：所述改性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠或聚乙烯吡络烷酮；所述石墨烯的平均厚度为100nm及以上的单层石墨烯和/或多层石墨烯；所述树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸聚氨酯树脂和氨基树脂中的一种或几种；所述助剂为按重量份数计，0.5-1份流平剂，1-1.5份消泡剂和1-2份硅烷偶联剂。
6.一种权利要求1所述的石墨烯改性配套防腐涂层的应用，其特征在于：所述石墨烯改性配套防腐涂层作为应用于输油管道、化工设备、船舶或海洋平台的金属设备中，作为防腐蚀的涂料。
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