CN105969025B - 一种含有物理剥离石墨烯的防腐涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于防腐涂料领域，具体涉及一种含有物理剥离石墨烯的防腐涂层材料及其制备方法。所述防腐涂层材料中的防腐成分为物理剥离石墨烯粉体；按重量比计，所述防腐涂层材料包括以下组分：物理剥离石墨烯粉体3‑12份、基体树脂21‑54份、流平剂0.6‑1.8份、消泡剂0.6‑1.8份、分散剂0.6‑1.8份、偶联剂0.6‑1.8份、溶剂40‑70份。本发明在防腐涂层材料的制备过程中添加了物理剥离石墨烯，能够很好阻隔了水分以及其他腐蚀性分子的渗透，起到了物理防腐的作用同时，物理剥离石墨烯的导电性能优异可以有效地阻止金属基材发生阳极反应发生腐蚀，起到电化学防腐蚀的作用。

Description

一种含有物理剥离石墨烯的防腐涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于防腐涂料领域，具体涉及一种含有物理剥离石墨烯的防腐涂层材料及其制备方法。
背景技术
近些年来，随着我国经济的迅速发展，大量钢铁被用于交通、建筑、机械、能源、化工、基础设施、铁路和海洋开发等领域，由此带来的钢铁腐蚀也越来越严重，因此人们对防腐涂料的性能要求也越来越高，传统的有机防腐涂料已经无法满足需求。
石墨烯由平面单层碳原子排列成二维蜂巢状结构，是只有一个碳原子厚度的超薄材料。作为一种新型热点研究对象，石墨烯具有丰富的物理特性，比表面积达到2600m2/g，机械性能优异，断裂强度可达42N/m2，抗拉强度和弹性模量分别为130GPa和1.0TPa，弹性延展可达20％；导热性能好，在室温下高达5300W/(m·K)，透明度高，吸光率仅为2.3％。同时，石墨烯还具有优异的电化学性能，常温下其电子迁移率超过15000cm2/(V·s)，高于碳纳米管。石墨烯因其独特的结构和优良的性能，引起了人们对石墨烯在超级电容器、生物传感器、功能材料、储氢电池、感光元件、隐身涂料等应用的这一课题的普遍关注和研究。
传统富锌类的防腐涂料属于牺牲阳极的阴极防护机理，存在防护的有效期短的问题；石墨烯物理防腐和电化学防腐多重作用防腐的效果更佳防护期效长。
石墨烯本身憎水憎油，分散均匀性较差，将其添加到海洋重防腐蚀涂料中，很难制备获得石墨烯分散均匀的防腐涂料。
有研究发现，添加石墨烯的环氧树脂涂料具有层层叠加形成的致密隔绝层，通过物理方式抑制水、腐蚀性离子等对涂膜的浸润与渗透；同时利用快速导电能力保护阳极，阻止铁锈的生成。但是在现有的技术中，一般使用氧化石墨烯或者改性石墨烯作为防腐填料，但是本申请的发明人研究发现氧化石墨烯和改性石墨烯中含有大量的有机官能团，降低了石墨烯的憎水性，石墨烯对氧气、水、腐蚀性离子的阻隔能力降低，同时大量的官能团的引入使其导电性能也降低，不利于电化学防腐；因此常规技术中，制备获得的防腐涂层材料存在电化学防腐能力差的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种含有物理剥离石墨烯的防腐涂层材料，所述防腐涂层材料的防腐成分为物理剥离石墨烯粉体，并提供一种防腐材料的制备方法，制备获得的含有物理剥离石墨烯的防腐涂层能够有效地阻止金属基材发生阳极反应发生腐蚀，起到电化学防腐蚀的作用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种含有物理剥离石墨烯的防腐涂层材料，所述防腐涂层材料中的防腐成分为物理剥离石墨烯粉体；按重量比计，所述防腐涂层材料包括以下组分：物理剥离石墨烯粉体3-12份、基体树脂21-54份、流平剂0.6-1.8份、消泡剂0.6-1.8份、分散剂0.6-1.8份、偶联剂0.6-1.8份、溶剂40-70份。本发明所用的石墨烯为物理剥离石墨烯，包括机械剥离石墨烯、微波剥离石墨烯、超临界CO2剥离石墨烯以及超声剥离石墨烯。物理剥离石墨烯的含有的官能团非常少缺陷小，导电性较其他石墨烯相比导电能力更强，与其他石墨烯相比对氧气、水、腐蚀性离子的阻隔性更佳，因而它的物理防腐和电化学防腐性能较普通石墨烯效果更佳。其中，偶联剂的种类的选择以及添加比例十分重要，正是由于偶联剂的添加，本发明可制备出优于传统富锌类的防腐涂料；偶联剂作用机理为：偶联剂可与石墨烯表面的很少量的官能团反应，接枝在石墨烯表面，并且偶联剂与树脂的相容性较好，从而使石墨烯很好的分散在涂料中。
本发明所采用的物理剥离石墨烯具有较高的结构完整性，结构缺陷少，能够很好阻隔了水分以及其他腐蚀性分子(如腐蚀性气体或腐蚀性离子)的渗透，起到了物理防腐的作用；另一方面物理剥离石墨烯的导电性能优异可以有效地阻止金属基材发生阳极反应发生腐蚀，起到电化学防腐蚀的作用；形成的涂层材料具有良好的防腐蚀性能。
进一步地，所述物理剥离石墨烯粉体的粒径为50-5000目、石墨烯层数为2-50层以及碳含量为85-99.8％。
进一步地，所述基体树脂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、环氧树脂、醇酸树脂、酚醛树脂和丙烯酸树脂中的任意一种。
进一步地，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、水、丙酮、丁酮、环己酮、醋酸丁酯、醋酸乙酯、乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、1,4-丁二醇、异辛醇、二甘醇、纯苯、甲苯和二甲苯中的任意一种。
进一步地，所述流平剂为有机硅流平剂、丙烯酸流平剂和氟碳化合物流平剂中的任意一种。
进一步地，所述消泡剂为水性消泡剂、聚合物消泡剂和有机硅消泡剂中的任意一种。
进一步地，所述分散剂为离子型分散剂或高分子型分散剂。
进一步地，所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂；
一种含有物理剥离石墨烯防腐涂层材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)原料准备：分别称取以下重量份的组分：物理剥离石墨烯粉体3-12份、基体树脂21-54份、流平剂0.6-1.8份、消泡剂0.6-1.8份、分散剂0.6-1.8份、偶联剂0.6-1.8份、溶剂40-70份；
(2)基体树脂溶液的制备：取基体树脂3-12份溶解于20-30份溶剂中，搅拌至完全溶解，获得基体树脂溶液；
(3)石墨烯浆料的制备：取物理剥离石墨烯粉体21-54份分散于20-40份溶剂中，超声处理获得石墨烯浆料，所述超声处理的条件为：超声处理温度范围为30-80℃，超声功率为100-800W超声时间1-10h；其中超声分散能够使物理剥离石墨烯粉体均匀分散于石墨烯浆料中，超声分散条件需严格控制，否则将影响分散效果；
(4)导电涂层材料的制备：将步骤(2)与步骤(3)制备获得的基体树脂溶液和石墨烯浆料进行混合，然后加入流平剂0.6-1.8份、消泡剂0.6-1.8份、分散剂0.6-1.8份、偶联剂0.6-1.8份混合均匀，采用高速分散机分散进行分散，分散速度为1000-3000r/min，分散时间为30-90min；其中，高速分散步骤必不可少，在分散速度为1000-3000r/min，分散时间为30-90min的高速分散条件下，物理剥离石墨烯能够与基体树脂的充分结合，增加石墨烯在导电涂层材料中的稳定性。
本发明的有益技术效果：
1.本发明在防腐涂层材料的制备过程中添加了物理剥离石墨烯，具有以下两个方面有益效果：一方面由于物理剥离石墨烯具有较高的结构完整性，结构缺陷少，能够很好阻隔了水分以及其他腐蚀性分子的渗透，起到了物理防腐的作用。另一方面物理剥离石墨烯的导电性能优异可以有效地阻止金属基材发生阳极反应发生腐蚀，起到电化学防腐蚀的作用；形成的涂层材料具有良好的防腐蚀性能；
2.该材材料生产制备简单，成本低廉，可大规模生产，实用性高，性能优异。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
称取80份聚乙烯吡咯烷酮溶于N-甲基吡咯烷酮中。取10份50目的高品质物理剥离石墨烯粉体加入N-甲基吡咯烷酮超声2h,超声功率500W超声温度30℃。将聚乙烯吡咯烷酮溶液与超声后的石墨烯浆料混合在一起加入2份分散剂(BYK161)、2份流平剂(BYK361)、3份消泡剂(BYK088)、3份偶联剂(KH550)高速分散机分散，分散速度2000r/min，分散时间30min；制备获得防腐涂层材料，其防腐性能如表1所示。
实施例2
称取54份环氧树脂E44(巴陵石化)溶于40份丙酮中。取3份50目的高品质物理剥离石墨烯粉体加入30丙酮超声2h,超声功率500W超声温度30℃。将环氧树脂溶液与超声后的石墨烯浆料混合在一起加入1份分散剂(BYK111)、1份流平剂(BYK356)、1份消泡剂(BYK057)、2份偶联剂(KH550)高速分散机分散，分散速度2000r/min，分散时间30min；制备获得防腐涂层材料，其防腐性能如表1所示。
实施例3
称取21份聚乙烯醇溶于20水中。取12份50目的高品质物理剥离石墨烯粉体加入40水中超声10h,超声功率100W超声温度30℃。将聚乙烯醇溶液与超声后的石墨烯浆料混合在一起加入0.6份分散剂(BYK161)、0.8份流平剂(BYK361)、0.8份消泡剂(BYK088)、1.8份偶联剂(KH570)高速分散机分散，分散速度1000r/min，分散时间90min；制备获得防腐涂层材料，其防腐性能如表1所示。
实施例4
称取40份聚乙二醇溶于30乙醇中。取12份5000目的高品质物理剥离石墨烯粉体加入乙醇中超声2h,超声功率800W超声温度30℃。将聚乙烯醇溶液与超声后的石墨烯浆料混合在一起加入1.8份分散剂(BYK161)、0.6份流平剂(BYK361)、0.6份消泡剂(BYK088)、1份偶联剂(KH570)高速分散机分散，分散速度3000r/min，分散时间30min；制备获得防腐涂层材料，其防腐性能如表1所示。
实施例5
称取21份醇酸树脂Fb9788溶于20份二甲苯中。取6份5000目的高品质物理剥离石墨烯粉体加入30份二甲苯中超声1h,超声功率600W超声温度80℃。将醇酸树脂溶液与超声后的石墨烯浆料混合在一起加入0.6份分散剂(BYK161)、1.8份流平剂(BYK361)、0.6份消泡剂(BYK088)、1.8份偶联剂(钛酸酯)高速分散机分散，分散速度2000r/min，分散时间30min；制备获得防腐涂层材料，其防腐性能如表1所示。
实施例6
称取40份酚醛树脂Fb9788溶于30份N,N-二甲基甲酰胺中。取8份50目的高品质物理剥离石墨烯粉体加入N,N-二甲基甲酰胺中超声4h,超声功率600W超声温度30℃。将酚醛树脂溶液与超声后的石墨烯浆料混合在一起加入1.8份分散剂(BYK161)、1.8份流平剂(BYK361)、1.8份消泡剂(BYK088)、1.8份偶联剂(钛酸酯)高速分散机分散，分散速度2500r/min，分散时间80min；制备获得防腐涂层材料，其防腐性能如表1所示。
实施例7
称取70份丙烯酸树脂溶于醋酸乙酯中。取20份50目的高品质物理剥离石墨烯粉体加入醋酸乙酯中超声2h,超声功率500W超声温度30℃。将丙烯酸树脂溶液与超声后的石墨烯浆料混合在一起加入3份分散剂(BYK161)、3份流平剂(BYK361)、2份消泡剂(BYK088)、2份偶联剂(钛酸酯)高速分散机分散，分散速度2000r/min，分散时间60min；制备获得防腐涂层材料，其防腐性能如表1所示：从表中可看出加入物理剥离石墨烯后，涂层的的耐酸性、耐碱性、与耐盐雾性30天无任何变化，说明物理石墨烯涂层有较好的耐腐蚀性能。
表1实施例1-7制备获得的防腐涂层材料的防腐性能

Claims (2)

1.一种含有物理剥离石墨烯的防腐涂层材料，其特征在于，所述防腐涂层材料中的防腐成分为物理剥离石墨烯粉体；
按重量比计，所述防腐涂层材料包括以下组分：物理剥离石墨烯粉体3-12份、基体树脂21-54份、流平剂0.6-1.8份、消泡剂0.6-1.8份、分散剂0.6-1.8份、偶联剂0.6-1.8份、溶剂40-70份；
所述物理剥离石墨烯粉体的粒径为50-5000目、石墨烯层数为2-50层以及碳含量为85-99.8％；
所述流平剂为有机硅流平剂、丙烯酸流平剂和氟碳化合物流平剂中的任意一种；
所述消泡剂为水性消泡剂、聚合物消泡剂和有机硅消泡剂中的任意一种；
所述分散剂为离子型分散剂或高分子型分散剂；
所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550、KH570或钛酸酯偶联剂。
所述防腐涂层材料的制备方法包括以下步骤：
(1)原料准备：分别称取以下重量份的组分：物理剥离石墨烯粉体3-12份、基体树脂21-54份、流平剂0.6-1.8份、消泡剂0.6-1.8份、分散剂0.6-1.8份、偶联剂0.6-1.8份、溶剂40-70份；
(2)基体树脂溶液的制备：取基体树脂21-54份溶解于20-30份溶剂中，搅拌至完全溶解，获得基体树脂溶液；
(3)石墨烯浆料的制备：取物理剥离石墨烯粉体3-12份分散于20-40份溶剂中，超声处理获得石墨烯浆料，所述超声处理的条件为：超声处理温度范围为30-80℃，超声功率为100-800W，超声时间1-10h；
(4)涂层材料的制备：将步骤(2)与步骤(3)制备获得的基体树脂溶液和石墨烯浆料进行混合，然后加入流平剂0.6-1.8份、消泡剂0.6-1.8份、分散剂0.6-1.8份、偶联剂0.6-1.8份混合均匀，采用高速分散机分散进行分散，分散速度为1000-3000r/min，分散时间为30-90min。
2.根据权利要求1所述一种含有物理剥离石墨烯的防腐涂层材料，其特征在于，所述基体树脂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、环氧树脂、醇酸树脂、酚醛树脂和丙烯酸树脂中的任意一种。
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