CN106676533A - 一种碳纳米管改性气相防锈纤维板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纳米管改性气相防锈纤维板及其制备方法。将复方气相缓蚀剂由苯并三氮唑、单乙醇胺、植酸氨按质量比为1.0～2.6：1.5～2.8：0.8～1.6的比例加入到质量浓度为0.5mg/mL的羧基功能化的碳纳米管水分散液中，充分搅拌均匀；配制成质量浓度为5％－70％的气相缓蚀剂水分散液；采用涂布机将气相缓蚀剂水溶液涂敷在纸质纤维板的两个表面，空气中干燥，得到负载量约为10－80g/m2的气相防锈纤维板。所述碳纳米管改性气相防锈纤维板可设计大小和厚度，使用后便于去除，复配气相缓蚀剂中不含有亚硝酸盐等有害组分，使用方便高效、环保安全。

Description

一种碳纳米管改性气相防锈纤维板及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纳米管改性气相防锈材料及包装制品领域，具体地指一种碳纳米管改性气相防锈纤维板及其制备方法。
背景技术：
在现代工业化时代的今天，金属及其制品随处可见。但由于空气中广泛存在的氧气、水蒸气、酸性气体、以及水蒸气中含有的盐，很容易发生大气腐蚀，在金属表面生成氧化物和氢氧化物混合物，从而损害它们的性能并降低其寿命，严重时会造成重大事故或致使设备报废。尤其金属及其制品在海上运输和高热潮湿的陆路运输过程中，更加容易遭遇腐蚀而发生锈蚀。据统计，全球每年因腐蚀而造成的经济损失占当年GDP的3％左右，大约1/3的钢材因腐蚀造成损耗。因此，各种金属腐蚀防护方法引起人们的关注。目前常用的涂抹防锈油脂法属于接触性防锈，不仅工艺繁琐、耗时费事、效果不佳，而且还需要在启封前进行脱脂清洗工序，极易造成环境的二次污染，而且对于那些接触不到防锈油的拐角、缝隙部位，则不能形成有效的防锈保护，此法已越来越不能被人们所接受。采用真空包装方法则成本较高，且对于大型工件来说非常难于现实。干燥剂防锈虽然成本较低，使用方便，但有效时间较短且受环境影响较大，效果很难保证。
气相缓蚀剂(VCI，Volatile Corrosion Inhibitor的缩写)是经特殊合成工艺、复配制备而成的一种腐蚀抑制剂。它能单独或依附于合适的载体，在常温常压下直接气化。在密封环境中通过自身可调节的持续挥发而使得作业单元内的任何空间缝隙中，都会充盈含有VCI防锈因子的混合气体，这种气体遭遇金属表面时会吸附其上，形成只有一个或数个分子厚的致密保护膜层。该保护膜层能有效隔绝水分、氧气及其他有害大气对金属表面的接触性腐蚀，抑制金属腐蚀的电化学反应，从而达到最佳的防锈蚀效果。与传统的防锈方法相比，VCI材料具有许多无可比拟的优点。如在金属材料包装或喷涂完成后，气相缓蚀剂分子便开始发散，气相缓蚀剂分子可渗透到传统防锈油无法覆盖的角落空间，防锈无死角；气相缓蚀分子有效成分保留时间长，可延长保护期限；在金属表面有水分或外界空气非常潮湿的条件下，缓蚀剂也能在金属表面形成防护膜防止腐蚀生锈。目前常用的气相防锈产品主要有气相防锈油、气相防锈粉、气相防锈纸和气相防锈薄膜。气相防锈油由基础油和辅助添加剂组成，使用时需要涂抹，去除防护层时费时、费工，既不卫生也不安全。气相防锈粉则需要装袋使用，一旦袋破损后防锈粉散落而造成损失。气相防锈纸韧性不好、容易破损，而且表面易吸潮、吸油，导致包装效果下降，影响防锈功能。气相防锈薄膜虽然具有透明、柔韧、可加工成型、阻隔性高等特点，但气相缓蚀剂组分中均含有国际上禁用的强致癌物亚硝酸盐，而且CN01127534.0公开的工艺中将气相缓蚀剂直接加入到树脂中吹膜，气相缓蚀剂颗粒分布不均匀，所得膜制品会出现表面粗糙和析霜现象；而将缓蚀剂和粘接剂混合后涂布于塑料薄膜上的方法，则能耗大且工序复杂，更不能清洁生产，容易因混合不均匀而影响防锈效果。
由此可以看出，研制一种对多种多金属都具有优良防锈效果，而且兼具有环境友好、操作简便的气相防锈材料，对解决涉及国民经济的金属锈蚀问题显得尤为迫切。纸质纤维板是一种来源广泛、易降解的低成本载体材料，且这种材料不容易破损，尺寸和形状可以随意调整，具有很高的吸水性能，对气相防锈液有较高的负载能力，可以保证长时间的气相防锈效果。目前还未见基于纸质纤维板的气相防锈包装材料，尤其还未见基于碳纳米管改性复合缓蚀剂的气相防锈纸质纤维板包装材料及其制备方法的报道。
发明内容：
本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种碳纳米管改性气相防锈纤维板及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供的一种碳纳米管改性气相防锈纤维板，其特征在于它包括纸质纤维板基底层和气相防锈层，其中气相防锈层是通过涂布机涂敷，将复方气相缓蚀剂水分散液吸附在纸质纤维板表面，无需添加任何粘合剂；所述碳纳米管改性气相防锈纤维板的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤：将复方气相缓蚀剂溶于碳纳米管水分散液中，用氨水调节pH值为8.0－9.0左右，配制成一定浓度的复方气相缓蚀剂水分散液；采用涂布机将复方气相缓蚀剂水溶液涂敷在纸质纤维板的两个表面，空气中干燥，得到碳纳米管改性气相防锈纤维板。
优选地，所述纸质纤维板是厚度约为3－15mm的可降解材料；气相防锈层在纸质纤维板上的负载量约为10－80g/m2。
优选地，所述的一种碳纳米管改性气相防锈纤维板的制备方法，其特征在于所述复方气相缓蚀剂由苯并三氮唑、单乙醇胺、植酸氨组成，它们的质量比为1.0～2.6：1.5～2.8：0.8～1.6；配制气相缓蚀剂水分散液时先将苯并三氮唑和单乙醇胺按上述质量比加入质量浓度为0.5mg/mL的碳纳米管水分散液中，充分搅拌后再按比例加入植酸氨，充分搅拌均匀；配制的气相缓蚀剂水分散液的质量浓度为5％－70％。
优选地，所述碳纳米管为羧酸功能化碳纳米管；所述的碳纳米管水分散液通过超声制备得到的；所述复方气相缓蚀剂加入到碳纳米管水分散液中后，碱性的气相缓蚀剂可与碳纳米管表面的羧基相互作用，均匀地负载在碳纳米管纳米粒子上，增加其比表面积，提高气相缓蚀能力，延长气相缓蚀时间。
本发明的有益效果体现在：提供一种碳纳米管改性气相防锈纤维板，首次利用碳纳米管表面的羧基，与碱性气相缓蚀剂相互作用，将它们负载于碳纳米管表面，增加气相防锈纤维板表面气相防锈层的比表面积，提高气相缓蚀能力，延长气相缓蚀时间。所使用的气相缓蚀剂水分散液是先将复方缓蚀剂充分均匀复合在碳纳米管表面，经涂敷后可增加气相防锈纤维板表面气相防锈层的比表面积，而采用的高吸水性纸质纤维板可提高复配气相缓蚀剂负载量；气相防锈纤维板可以根据要求设计大小和厚度，使用后便于去除，复配气相缓蚀剂中不含有亚硝酸盐等有害组分，使用起来更加简便、高效、环保和安全。
具体实施方式：
为进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不以任何方式限制本发明。
下述实施例中的碳纳米管改性气相防锈纤维板采用的制备方法包括以下具体步骤：
实施例1：
先将缓蚀剂苯并三氮唑和单乙醇胺按质量比为1.3：2.3的比例加入到质量浓度为0.5mg/mL的碳纳米管水分散液中，充分搅拌后再按单乙醇胺：植酸氨质量比为2.3：1.0的比例加入植酸氨，用氨水调节pH值为8.0－9.0左右，充分搅拌均匀，气相缓蚀剂水分散液的质量浓度为25％，采用涂布机将气相缓蚀剂水溶液涂敷在厚度为6mm的纸质纤维板的两个表面，空气中干燥，得到负载量约为20g/m2的气相防锈纤维板a。
实施例2：
先将缓蚀剂苯并三氮唑和单乙醇胺按质量比为2.0：2.0的比例加入到质量浓度为0.5mg/mL的碳纳米管水分散液中，充分搅拌后再按单乙醇胺：植酸氨质量比为2.0：1.0的比例加入植酸氨，用氨水调节pH值为8.0－9.0左右，充分搅拌均匀，气相缓蚀剂水分散液的质量浓度为35％，采用涂布机将气相缓蚀剂水溶液涂敷在厚度为6mm的纸质纤维板的两个表面，空气中干燥，得到负载量约为35g/m2的气相防锈纤维板b。
实施例3：
先将缓蚀剂苯并三氮唑和单乙醇胺按质量比为2.3：2.0的比例加入到质量浓度为0.5mg/mL的碳纳米管水分散液中，充分搅拌后再按单乙醇胺：植酸氨质量比为2.0：1.0的比例加入植酸氨，用氨水调节pH值为8.0－9.0左右，充分搅拌均匀，气相缓蚀剂水分散液的质量浓度为45％，采用涂布机将气相缓蚀剂水溶液涂敷在厚度为6mm的纸质纤维板的两个表面，空气中干燥，得到负载量约为40g/m2的气相防锈纤维板c。
实施例4：
先将缓蚀剂苯并三氮唑和单乙醇胺按质量比为1.0：2.6的比例加入到质量浓度为0.5mg/mL的碳纳米管水分散液中，充分搅拌后再按单乙醇胺：植酸氨量比为2.6：0.9的比例加入植酸氨，用氨水调节pH值为8.0－9.0左右，充分搅拌均匀，气相缓蚀剂水分散液的质量浓度为55％，采用涂布机将气相缓蚀剂水溶液涂敷在厚度为6mm的纸质纤维板的两个表面，空气中干燥，得到负载量约为40g/m2的气相防锈纤维板d。
对比例1：
将缓蚀剂苯并三氮唑、单乙醇胺、植酸氨按质量比为1.0：2.6：0.9的比例加入去离子水中，用氨水调节pH值为8.0－9.0左右，充分搅拌均匀，气相缓蚀剂水分散液的质量浓度为55％，采用涂布机将气相缓蚀剂水溶液涂敷在厚度为6mm的纸质纤维板的两个表面，空气中干燥，得到负载量约为35g/m2的气相防锈纤维板b1。
对比例2：
将缓蚀剂苯并三氮唑、单乙醇胺、植酸氨按质量比为1.0：2.6：0.9的比例加入去离子水中，然后向上述分散液中加入碳纳米管，使碳纳米管的质量浓度为0.5mg/mL,用氨水调节pH值为8.0－9.0左右，充分搅拌均匀，气相缓蚀剂水分散液的质量浓度为55％，采用涂布机将气相缓蚀剂水溶液涂敷在厚度为6mm的纸质纤维板的两个表面，空气中干燥，得到负载量约为35g/m2的气相防锈纤维板b2。
实施例5应用效果试验例
对实施例1-4以及对比例1-2制备的气相防锈纤维板进行缓蚀率的测定，具体方法为：将30nm×30nm×3nm的45#碳钢片用180#～240#的砂纸逐级打磨光滑，用去离子水清洗干净，用酒精棉球脱脂后晾干。用实施例1-4以及对比例1-2制备的气相防锈纤维板将打磨好的45#碳钢试片包夹起来，再用尼龙绳包夹好的试片十字交叉捆紧，放置于温度为(49±1)℃，相对温度约为95的恒温恒湿箱内。40天后观察其锈蚀程度并计算氧化速率和缓蚀率：
η＝100×(Δm0－Δm1)/Δm0，式中η为缓蚀率(％)，Δm0为空白试验中碳钢试片的质量损失(g)，Δm1为包夹气相防锈纤维板中碳钢试片的质量损失(g)。结果见表1。
对实施例1-4、对比例1-2制备的气相防锈纤维板以及由某国外气相缓蚀液制备的气相防锈纤维板进行多金属气相防锈性能实验，试验标准参照GB/T 19532-2004，试验结果见表1。
表1为气相防锈试验结果
表1中选自国外的气相防锈液同类产品市场价高于本发明所述复方气相缓蚀剂二至三倍。对比试验结果表明，本发明所述的气相防锈纤维板对各种金属的防锈效果都优于所选用由国外气相防锈液制备的气相防锈纤维板，而且气相防锈效果远远优于对比例1－2所得的气相防锈纤维板，其中实施例2和4的效果最佳，为本发明的较佳实施方案。而且实施例1－4的产品气相防锈效果明显优于对比例1－2的样品，表明氧化碳纳米管的功能基团及大的比表面积将气相缓蚀剂均匀地分散在纳米片表面，增加其挥发性，提高了气相缓蚀性能。本发明所述气相防锈纤维板售价只有国外同类产品的二分之一或三分之一，且无毒副作用、不污染环境，符合国家环保标准要求，完全可以取代进口产品。分析认为它们的气相缓蚀机理可能为：气相防锈纤维板表面的缓蚀剂挥发到金属表面，其中苯并三氮唑、单乙醇胺、植酸氨附着在金属表面，缓蚀剂分子中的N和O原子均含有孤对电子，可与Fe的d电子空轨道形成配位键，发生了化学吸附，使复配缓蚀剂在金属表面形成牢固的吸附膜,以抑制氧气及水对金属表面的接触；另外由于纤维板对缓蚀剂的吸附作用，使得缓蚀剂缓慢释放出来，既发挥了良好的防锈效果又能延长其防锈时间。
取等量实施例2和4、对比例1-2制备的气相防锈纤维板以及由某国外气相缓蚀液制备的气相防锈纤维板分别放置于等量的中性0.5mol/L的食盐水中，一定时间后测定溶液中苯并三氮唑的浓度，结果列于表2。从表中的结果明显可以看出，碳纳米管的加入对气相缓蚀剂有一定的吸附作用，与没有加碳纳米管和物理混合法加入碳纳米管的样品相比，本发明所述的气相防锈纤维板在气相缓释防锈方面具有明显的优势，能起到控制释放和缓释的作用。
表2为气相缓蚀结果

Claims (4)

1.一种碳纳米管改性气相防锈纤维板，其特征在于它包括纸质纤维板基底层和气相防锈层，其中气相防锈层是通过涂布机涂敷，将复方气相缓蚀剂水分散液吸附在纸质纤维板表面，无需添加任何粘合剂；所述的碳纳米管改性气相防锈纤维板的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤：将复方气相缓蚀剂溶于碳纳米管水分散液中，用氨水调节pH值为8.0－9.0左右，配制成一定浓度的复方气相缓蚀剂水分散液；采用涂布机将复方气相缓蚀剂水溶液涂敷在纸质纤维板的两个表面，空气中干燥，得到碳纳米管改性气相防锈纤维板。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管改性气相防锈纤维板，其特征在于所述纸质纤维板是厚度约为3－15mm的可降解材料；气相防锈层在纸质纤维板上的负载量约为10－80g/m2。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管改性气相防锈纤维板的制备方法，其特征在于所述复方气相缓蚀剂由苯并三氮唑、单乙醇胺、植酸氨组成，它们的质量比为1.0～2.6：1.5～2.8：0.8～1.6；配制气相缓蚀剂水分散液时先将苯并三氮唑和三乙醇胺按上述质量比加入到质量浓度为0.5mg/mL的碳纳米管水分散液中，充分搅拌后再按比例加入植酸氨，充分搅拌均匀；配制的气相缓蚀剂水分散液的质量浓度为5％－70％。
4.根据权利要求3所述的一种碳纳米管改性气相防锈纤维板的制备方法，其特征在于所述碳纳米管为羧基功能化碳纳米管；所述的碳纳米管水分散液通过超声制备所得；所述复方气相缓蚀剂加入到碳纳米管水分散液中后，碱性的气相缓蚀剂可与碳纳米管表面的羧基相互作用，均匀地负载在碳纳米管纳米粒子上，增加其比表面积，提高气相缓蚀能力，延长气相缓蚀时间。
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