CN106566302B - 一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液及其制备方法。首先采用插层剂进行插层处理，释放层间作用力；然后采用多级胶体研磨法对石墨进行机械剥离，胶体磨由上而下为多级串联的磨盘，由上而下磨盘的齿盘逐步加细、齿盘间的挤压力逐渐加强，在不同的研磨段加入研磨助剂、促进剥离剂、分散剂、成膜剂，从而连续、分级剥离得到石墨烯复合分散液。由于连续采用磨盘对石墨烯进行多次研磨，制得的石墨烯更为均匀、细腻，也不会造成石墨烯晶体结构的破坏，存储稳定，不团聚，使用时直接添加用于防腐涂料。既能解决采用化学方法制备石墨烯过程中产生的污染问题，也能实现大规模、安全、连续性生产。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及了一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液的制备，特别涉及采用多级串联胶体研磨机对石墨进行机械剥离制备分散性、稳定性好的石墨烯分散液。
背景技术
涂料是指涂布于物体表面在一定的条件下能形成薄膜而起到保护、装饰或其他特殊功能（绝缘、防锈、防霉、耐热等）的一类液体或固体材料。但目前普遍使用的涂料大都存在耐水性和机械性能、与底材的附着性、对比率、耐洗刷性能较差等问题。
石墨烯不仅拥有优异的导电性能、光学性能和导热性能，在电磁屏蔽材料、微波吸收材料、气体传感器、光电子器件、化学能源( 太阳能电池、锂离子电池)、催化剂电等领域有广阔的应用空间，而且它还拥有较好的机械性能。石墨烯是目前发现的最薄、最坚硬的材料，这一性能可以用于涂料中，以改善涂料的机械性能，增强涂料的抗老化能力。
石墨烯复合涂料在建筑中的大量应用为石墨烯及其分散液是制备提出了更高的要求，它要求能实现石墨烯分散液的大规模、连续化生产，且要求石墨烯分散液具有较好的分散性和稳定性。目前主要通过机械剥离石墨和分散石墨烯两种方法制备石墨烯分散液，后者由于需要先制备石墨烯，然后再用制得的石墨烯进行分散制备石墨烯分散液，不能实现大规模连续生产。故通常采用一步法机械剥离制备石墨烯分散液，目前采用的机械剥离方法主要有：球磨法、搅拌法、超声波法等，但这些方法只适用于实验室小规模研究制备石墨烯分散液，无法在工业上实现大规模生产。而且目前的方法制得的石墨烯具有机械剥离效率、分散性差、质量不稳定、粒径分布不均匀等问题，因此急需寻找一种能到规模连续生产石墨烯的有效方法。
中国发明专利申请号201310712140.7公开了一种多级粉碎研磨乳化胶体磨，该专利对机械剥离设备结构进行了重新设计，将两个以上的胶体磨机与乳化机串联，使得剥离与乳化过程在同一设备中完成，简化了研磨和乳化程序。但该专利并未在用于制备石墨烯分散液，且每一级齿盘都相同，故后几级并未发挥最大功效。
中国发明专利申请号201510146356.0公开了一种制备石墨烯分散液的方法，该方法以石墨烯为原料，在胶体研磨机和聚能式超声探头的共同作用下是石墨烯均匀的分散于溶剂中形成石墨烯分散液。该方法能实现石墨烯的均匀分散，但其以石墨烯为原料进行分散，无法在工业中实现大规模联系性生产。
中国发明专利申请号201510835632.4公开了一种石墨烯的制备方法，该方法以石墨为原料，采用胶体磨对石墨进行机械剥离，然后取上层清夜干燥得到石墨烯。但该方法只进行一次机械剥离，剥离效率低，无法满足该规模生产要求。
中国发明专利申请号201510052668.5公开了一种制备石墨烯防水涂料的方法，该方法在传统涂料中加入石墨烯，以改善涂料的机械耐磨性能、抗老化性能。
从相关专利分析看，目前制备石墨烯分散液的方法主要以机械剥离为主，但各种制备方法都存在不同程度的问题，主要表现在：机械剥离效率低下，造成原料的浪费；制备过程中使用大量使用化学药品，造成环境污染；产品质量不稳定；石墨烯分散液分散性能较差；石墨烯粒径分布不均匀等问题。本发明采用多级胶体磨串联，实现石墨的反复剥离，并且在研磨过程中加入氧化剂、分散剂等。既提高了石墨的剥离效率，又改善了石墨烯分散液的分散性和稳定性，同时可实现大规模、连续性生产。
发明内容
针对目前石墨烯存在的机械剥离效率低、石墨烯结构被破坏、无法连续性生产、储存不稳定、需要干燥分散等问题，本发明提出了一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液的制备方法，首先采用插层剂进行插层处理，释放层间作用力；然后采用多级胶体研磨法对石墨进行机械剥离，胶体磨由上而下为多级串联的磨盘，由上而下磨盘的齿盘逐步加细、齿盘间的挤压力逐渐加强，在不同的研磨段加入研磨助剂、促进剥离剂、分散剂、成膜剂，从而连续、分级剥离得到石墨烯复合分散液。由于连续采用磨盘对石墨烯进行多次研磨，制得的石墨烯更为均匀、细腻，也不会造成石墨烯晶体结构的破坏，存储稳定，不团聚，使用时直接添加用于防腐涂料。既能解决采用化学方法制备石墨烯过程中产生的污染问题，也能实现大规模、安全、连续性生产。
一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液的制备方法，其特征在于：采用多级串联胶体研磨机对石墨进行连续机械剥离制备石墨烯复合分散液，具体包括如下步骤：
（1）配制含有插层化合物的有机溶液，将称取的石墨粉倒入到溶液中进行插层处理，得到预处理的石墨混合液；
（2）将步骤（1）中的石墨混合液倒入到多级串联的胶体研磨机中，设置第一级胶体磨盘的转速为500-4000rpm，加入研磨助剂研磨0.5-1h，通过自动控制阀进入第二级胶体磨盘；
（3）第二级胶体磨盘的转速为5000-8000rpm，加入促进剥离剂研磨1-3h，通过自动控制阀进入第三级胶体磨盘；
（4）第三级胶体磨盘的转速为10000-12000rpm，加入分散剂分散0.5-1h，然后将转速调至1000-2000rpm，加入成膜剂分散5-10min，得到均匀、细腻的石墨烯复合分散液；
其中，所述多级串联胶体研磨机由上而下为多级串联的磨盘，由第一级到第三级的磨盘齿逐步加细，磨盘齿的粗糙度依次为30-50μm、10-15μm、2-5μm，磨盘齿的挤压力依次为0.5MPa、1.5 MPa、2 MPa。
优选地，所述含有插层化合物的有机溶液是插层化合物四甲基碳酸氢铵、四乙基碳酸氢铵、四丁基碳酸氢铵、十二烷基四甲基碳酸胍、十六烷基四甲基碳酸胍中的至少一种与溶剂乙酸丁酯、苄醚、碳酸二乙酯、DBE、乙基卡必醇醋酸酯、碳酸甲乙酯、丁基卡必醇醋酸酯、丁基溶纤剂醋酸酯、碳酸丙烯酯、乙醇胺、DMSO、丁二酸二甲酯、N-十二烷基吡咯烷酮、丙二醇甲醚醋酸酯、NMP、酞酸二乙酯、二甲苯、吡啶、邻苯二甲酸二丁酯、安息香醛、碳酸二甲酯、N- 辛基吡咯烷酮、碳酸二苯酯、去离子水中的至少一种以质量比1:5-15混合而成。
优选地，所述石墨粉与含有插层化合物的有机溶液的质量比为1:3-5。
优选地，所述研磨助剂为硬脂酸铝、硬脂酸锌、有机膨润土、超细二氧化硅中的至少一种，加入量为石墨粉质量的3-5%。
优选地，所述促进剥离剂为高锰酸钾、高氯酸、磷酸、冰醋酸中的至少一种，加入量为石墨粉质量的1-2%。
优选地，所述分散剂选自羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐和磷酸酯盐中的至少一种，其加入量为石墨粉质量的0.2-0.5%。
优选地，所述成膜剂选自丙烯酸树脂、丁二烯树脂、聚氨酯中的一种，加入量为石墨粉质量的5-8%。
一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液，其特征在于：由上述制备方法制得的石墨烯复合分散液，直接作为添加剂用于防腐涂料。不需要再分散。
优选地，所述石墨粉选取天然鳞片石墨、石墨粉、膨胀石墨、高取向石墨中的一种。
与现有的制备石墨烯分散液的技术相比，本发明提出的采用多级胶体磨串联制备可用于防腐涂料的石墨烯复合分散液具有如下优势：
1.提出了采用多级胶体磨串联研磨制备石墨烯分散液，且由上而下磨盘的齿盘逐步加细、齿盘间的挤压力逐渐加强，以提高石墨烯直接的相互剪切碰撞，制得的石墨烯分散液更为均匀、细腻。
2. 本发明采用在制备石墨烯分散液的不同阶段依次加入研磨助剂、氧化剂、分散剂和成膜剂，针对性的进行处理，得到的分散液无需干燥、使用时无需再分散，具有良好的存储稳定性，在防腐涂料中直接添加使用。
3、在研磨过程中利用研磨助剂为防腐涂料必备原料，不需要去除，大幅降低成本。实现了大规模、连续性生产，且无毒、无污染。
附图说明
为进一步说明一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液的制备方法，通过附图进行说明。
附图1为一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液的制备方法的工艺流程简图。
具体实施方式
通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）将四甲基碳酸氢铵与溶剂乙酸丁酯以质量比1:5混合配制含有插层化合物的有机溶液，将石墨粉与含有插层化合物的有机溶液的质量比为1:3称取，将石墨粉倒入到溶液中进行插层处理，得到预处理的石墨混合液；
（2）将步骤（1）中的石墨混合液倒入到多级串联的胶体研磨机中，设置第一级胶体磨盘的转速为500rpm，磨盘齿的粗糙度为30μm、磨盘齿的挤压力为0.5MPa，加入研磨助剂硬脂酸铝，加入量为石墨粉质量的3%，研磨0.5h，通过自动控制阀进入第二级胶体磨盘；
（3）第二级胶体磨盘的转速为5000rpm，磨盘齿的粗糙度为10μm、磨盘齿的挤压力为1.5 MPa，加入促进剥离剂高氯酸，加入量为石墨粉质量的1%，研磨为3h，通过自动控制阀进入第三级胶体磨盘；
（4）第三级胶体磨盘的转速为10000rpm，磨盘齿的粗糙度为5μm磨盘齿的挤压力为2 MPa，加入分散剂磺酸盐，其加入量为石墨粉质量的0.2%，分散0.5h，然后将转速调至1000rpm，加入成膜剂丁二烯树脂，加入量为石墨粉质量的8%。分散5min，得到均匀、细腻的石墨烯复合分散液。
实施例2
（1）将四乙基碳酸氢铵与溶剂乙基卡必醇醋酸酯以质量比1:10混合配制含有插层化合物的有机溶液，将石墨粉与含有插层化合物的有机溶液的质量比为1:4称取，石墨粉倒入到溶液中进行插层处理，得到预处理的石墨混合液；
（2）将步骤（1）中的石墨混合液倒入到多级串联的胶体研磨机中，设置第一级胶体磨盘的转速为3000rpm，磨盘齿的粗糙度为50μm、磨盘齿的挤压力为0.5MPa，加入研磨助剂有机膨润土，加入量为石墨粉质量的5%，研磨1h，通过自动控制阀进入第二级胶体磨盘；
（3）第二级胶体磨盘的转速为6000rpm，磨盘齿的粗糙度12μm、磨盘齿的挤压力为1.5 MPa，加入促进剥离剂冰醋酸，加入量为石墨粉质量的1%，研磨为2h，通过自动控制阀进入第三级胶体磨盘；
（4）第三级胶体磨盘的转速为12000rpm，磨盘齿的粗糙度为2μm磨盘齿的挤压力为2 MPa，加入分散剂磺酸盐，其加入量为石墨粉质量的0.5%。分散0.5h，然后将转速调至1000rpm，加入成膜剂聚氨酯，加入量为石墨粉质量的6%。分散10min，得到均匀、细腻的石墨烯复合分散液。
实施例3
（1）将十二烷基四甲基碳酸胍与溶剂乙醇胺以质量比1:12混合配制含有插层化合物的有机溶液，将石墨粉与含有插层化合物的有机溶液的质量比为1:5称取，石墨粉倒入到溶液中进行插层处理，得到预处理的石墨混合液；
（2）将步骤（1）中的石墨混合液倒入到多级串联的胶体研磨机中，设置第一级胶体磨盘的转速为2000rpm，磨盘齿的粗糙度40μm、磨盘齿的挤压力为0.5MPa，加入研磨助剂超细二氧化硅，加入量为石墨粉质量的4%，研磨0.5h，通过自动控制阀进入第二级胶体磨盘；
（3）第二级胶体磨盘的转速为8000rpm，磨盘齿的粗糙度为15μm、磨盘齿的挤压力为1.5 MPa，加入促进剥离剂高锰酸钾，加入量为石墨粉质量的2%，研磨3h，通过自动控制阀进入第三级胶体磨盘；
（4）第三级胶体磨盘的转速为10000rpm，磨盘齿的粗糙度为2μm磨盘齿的挤压力为2 MPa，加入分散剂羧酸盐，其加入量为石墨粉质量的0.4%。分散0.5h，然后将转速调至2000rpm，加入成膜剂丙烯酸树脂，加入量为石墨粉质量的5%。分散10min，得到均匀、细腻的石墨烯复合分散液。
实施例4
（1）将十六烷基四甲基碳酸胍中与溶剂丁基卡必醇醋酸酯以质量比1:5混合配制含有插层化合物的有机溶液，将石墨粉与含有插层化合物的有机溶液的质量比为1:3称取，石墨粉倒入到溶液中进行插层处理，得到预处理的石墨混合液；
（2）将步骤（1）中的石墨混合液倒入到多级串联的胶体研磨机中，设置第一级胶体磨盘的转速为1000rpm，磨盘齿的粗糙度为50μm、磨盘齿的挤压力为0.5MPa，加入研磨助剂硬脂酸锌，加入量为石墨粉质量的3%，研磨0.5h，通过自动控制阀进入第二级胶体磨盘；
（3）第二级胶体磨盘的转速为6000rpm，磨盘齿的粗糙度为10μm、磨盘齿的挤压力为1.5 MPa，加入促进剥离磷酸，加入量为石墨粉质量的2%，研磨为2h，通过自动控制阀进入第三级胶体磨盘；
（4）第三级胶体磨盘的转速为10000pm，磨盘齿的粗糙度为4μm磨盘齿的挤压力为2MPa，加入分散剂磷酸酯盐，其加入量为石墨粉质量的0.2%。分散1h，然后将转速调至1250rpm，加入成膜剂丁二烯树脂，加入量为石墨粉质量的7%。分散5min，得到均匀、细腻的石墨烯复合分散液。
Claims (6)
1.一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液的制备方法，其特征在于：采用多级串联胶体研磨机对石墨进行连续机械剥离制备石墨烯复合分散液，具体包括如下步骤：
（1）配制含有插层化合物的有机溶液，将称取的石墨粉倒入到溶液中进行插层处理，得到预处理的石墨混合液；所述石墨粉与含有插层化合物的有机溶液的质量比为1:3-5；
所述含有插层化合物的有机溶液是插层化合物四甲基碳酸氢铵、四乙基碳酸氢铵、四丁基碳酸氢铵、十二烷基四甲基碳酸胍、十六烷基四甲基碳酸胍中的至少一种与溶剂乙酸丁酯、苄醚、碳酸二乙酯、DBE、乙基卡必醇醋酸酯、碳酸甲乙酯、丁基卡必醇醋酸酯、丁基溶纤 剂醋酸酯、碳酸丙烯酯、乙醇胺、DMSO、丁二酸二甲酯、N-十二烷基吡咯烷酮、丙二醇甲醚醋 酸酯、NMP、酞酸二乙酯、二甲苯、吡啶、邻苯二甲酸二丁酯、安息香醛、碳酸二甲酯、N- 辛基 吡咯烷酮、碳酸二苯酯、去离子水中的至少一种以质量比1:5-15混合而成；
（2）将步骤（1）中的石墨混合液倒入到多级串联的胶体研磨机中，设置第一级胶体磨盘的转速为500-4000rpm，加入研磨助剂研磨0.5-1h，通过自动控制阀进入第二级胶体磨盘；
（3）第二级胶体磨盘的转速为5000-8000rpm，加入促进剥离剂研磨1-3h，通过自动控制阀进入第三级胶体磨盘；
（4）第三级胶体磨盘的转速为10000-12000rpm，加入分散剂分散0.5-1h，然后将转速调至1000-2000rpm，加入成膜剂分散5-10min，得到均匀、细腻的石墨烯复合分散液；
其中，所述多级串联胶体研磨机由上而下为多级串联的磨盘，由第一级到第三级的磨盘齿逐步加细，磨盘齿的粗糙度依次为30-50μm、10-15μm、2-5μm，磨盘齿的挤压力依次为0.5MPa、1.5 MPa、2 MPa。
2.根据权利1要求所述一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液的制备方法，其特征在于：所述研磨助剂为硬脂酸铝、硬脂酸锌、有机膨润土、超细二氧化硅中的至少一种，加入量为石墨粉质量的3-5%。
3.根据权利1要求所述一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液的制备方法，其特征在于：所述促进剥离剂为高锰酸钾、高氯酸、磷酸、冰醋酸中的至少一种，加入量为石墨粉质量的1-2%。
4.根据权利1要求所述一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液的制备方法，其特征在于：所述分散剂选自羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐和磷酸酯盐中的至少一种，其加入量为石墨粉质量的0.2-0.5%。
5.根据权利1要求所述一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液的制备方法，其特征在于：所述成膜剂选自丙烯酸树脂、丁二烯树脂、聚氨酯中的一种，加入量为石墨粉质量的5-8%。
6.一种用于防腐涂料的石墨烯复合分散液，其特征在于：由权利要求1-5任一项所述制备方法制得的石墨烯复合分散液，直接作为添加剂用于防腐涂料。
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