CN109836870A

CN109836870A - 一种碳基水性复合涂料

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Publication number: CN109836870A
Application number: CN201710901816.5A
Authority: CN
Inventors: 马驰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2019-06-04

Abstract

一种碳基水性复合涂料,该发明制备原料包括：氢氧化钠；氯化钠；无水碳酸钠；硅酸钠；二烷基磺酸钠；防腐涂料。一种碳基水性复合涂料,采用溶液共混法将六种碳纳米填料添加到工业水性防腐涂料中，经过高速搅拌和超声分散处理，制备出复合涂料，并测试其红外光谱，对涂料进行成分分析。再将涂料涂覆在铝箔上，制备成涂层，采用扫描电镜表征涂层的表面及断面形貌，并测试了其表面润湿性和耐腐蚀性，红外光谱图显示，少量添加碳纳米填料的添加不会改变涂料的基团结构。氧化前的碳纳米管含量为0.2wt%，其余碳填料含量为0.4wt%时，各复合涂层的防腐性能达到最佳。

Description

一种碳基水性复合涂料

所属技术领域

本发明涉及一种涂料，尤其涉及一种碳基水性复合涂料。

背景技术

由于近年来石化资源的价格上涨和人类生存环境状况的恶化，减少对不可再生资源的浪费，减少对人类生存环境的污染，大力开发环保涂料和高性能涂料已成为当今世界涂料行业的迫在眉睫的发展方向。溶剂型氟碳涂料虽然有着很好的性能，但同时也存在很多的缺陷，例如容易浮色发花、常温不易固化、在固化的过程中会释放出挥发性有机化合物对环境造成污染等从而限制了其在涂料工业中的应用。水性涂料是一种以水为溶剂或分散介质的环境友好型涂料，这种涂料具有污染少使用安全的优点，随着聚合技术的发展，水性涂料的性能可以和传统的溶剂型涂料相媲美，因此越来越多的注意力在关注水性涂料碳材料自发现以来一直受到多个领域的学者们的广泛关注，许多研究人员己经将一些碳纳米材料应用到抗腐蚀材料中，并取得了一定的成果。添加了C60的复合涂层在一定程度上能够阻挡腐蚀介质的扩散，起到防腐的的作用。

发明内容

本发明的目的是为了涂料的防腐功能，设计了一种碳基水性复合涂料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

碳基水性复合涂料的制备原料包括：氢氧化钠；氯化钠；无水碳酸钠；硅酸钠；二烷基磺酸钠；防腐涂料。

碳基水性复合涂料的制备步骤为：将碳材料按照0.2 wt% , 0.4 wt% , 0.6 wt%,0.8 wt%的比例加入到工业水性涂料中，其中碳纳米管是以浆料形式加入，其质量比为5wt%，其余碳材料以粉末形式加入。然后用高速分散机在7000 r/min条件下分散30 min，再置于360 W的超声清洗器中，控制温度为常温，超声分散1h，使填料能均匀分散到涂料中。

碳基水性复合涂料的检测步骤为：实验以铝箔作为金属基底，涂覆涂料前需要将铝箔进行脱脂处理。实验所用的脱脂液配方为:15gNaOH,40g Na₂C0₃；15g Na₂Si0₃, 1g十二烷基磺酸钠以及1000 mL去离子水水。脱脂的方法是将240 mmx 140 mm的铝箔放入脱脂液中静置2 min后马上拿出，然后用去离子水反复冲洗，直到铝箔表面没有水泡，然后用吹风机吹干备用。实验采用手动刮涂法涂覆，利用涂布棒与平面之间具有一定的间隙来制得一定厚度的湿膜，然后将湿膜置于262 0C的鼓风干燥箱中干燥4_5 s后立即拿出。

采用Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测试涂料的成分组成。测试方法是:将涂料涂到硅胶板上，放到70℃的烘箱里烘24 h，去除水分，直到涂料完全干燥成膜，取膜状样品以全反射模式测试红外光谱吸收光谱。采用日本HITACHI生产的SU-70型扫描电子显微镜(C SEM)观察各组分材料的表面和断面形貌以及涂层浸泡后表面的腐蚀情况，加速电压为0.5 kV，二次电子成像。采用JGW-360C动态接触角测定仪测试涂层表面的亲水角。测试方法是将被测铝箔放在工作台上，用微量进样器注入10μL的蒸馏水，竖直滴在铝箔表面上，静置1 min后拍照。水滴的亲水角用软件计算。电化学测试采用上海辰华CHI66E型电化学工作站测试涂层的交流阻抗和极化曲线。电解液为3.5wt%的NaCl，对电极是铂电极，参比电极采用Ag/AgCl电极，工作电极是面积为1 cm^-2的涂有涂层的铝箔样品。电化学阻抗测试的频率范围是10^-2-10⁵ Hz,振幅是20 mV，测试前在3.5 wt% NaCl中浸泡约30 min，等到待测电极的开路电位稳定后，即可开始测试。极化曲线测试的电压范围是相对于开路电位的-0.3V -0.3V，测试前也需要在3.5 wt%NaCl中浸泡约30 min。

本发明的有益效果是：

采用溶液共混法将六种碳纳米填料添加到工业水性防腐涂料中，经过高速搅拌和超声分散处理，制备出复合涂料，并测试其红外光谱，对涂料进行成分分析。再将涂料涂覆在铝箔上，制备成涂层，采用扫描电镜表征涂层的表面及断面形貌，并测试了其表面润湿性和耐腐蚀性，红外光谱图显示，少量添加碳纳米填料的添加不会改变涂料的基团结构。通过扫描电子显微镜观察涂层的表面及断面形貌，石墨烯、氧化石墨烯，以及两种碳纳米管均能较好分散在复合涂层中，碳纳米洋葱在涂层中有少量团聚。随着碳纳米填料的添加，复合涂层表面的润湿性没有明显的变化，添加含氧的碳纳米填料的涂层的亲水角比添加不含氧的填料的涂层的小一些。复合涂层的防腐性能随碳纳米填料的增加呈现先提高后降低的趋势，填料含量较低的时候，能较好地分散在复合涂层中，当填料含量较高时，会产生少量团聚，与涂料的相容性降低，防腐性能降低。复合涂层的防腐性能先增大后减小。氧化前的碳纳米管含量为0.2wt%，其余碳填料含量为0.4wt%时，各复合涂层的防腐性能达到最佳。实验中，添加氧化后的碳纳米管的涂层防腐效果最好，填料含量在0.4wt%时，C/ACNT的孔隙电阻为63.37 MΩ/cm²，阻抗谱图中容抗弧最大，防腐性最好。

具体实施方式

实施案例1：

填料含量为0.6wt%的复合涂层的表面和断面SEM图可以看出，空白涂层表面较平整，表面致密，说明固化完全。添加了填料的复合涂层表面会有一些突起，隐约可以看到涂层内的碳纳米材料。可能是涂料固化，水份蒸发的时候，湿膜表层的填料露出固化后的涂层表面，但表面还是被聚合物覆盖。从涂层断面图中可以观察到，所有涂层断面是比较致密的，几乎没有出现孔洞，说明固化后的涂层均有较好的致密度。填料在涂层中的分散较均匀，二维和一维碳材料基本是平行基底分布。可以看到，有少量石墨烯和未氧化的碳纳米管会露出断面，而在添加氧化石墨烯和氧化碳纳米管的涂层中几乎看不到有填料露出，说明带有大量含氧基团的填料与聚合物的相容性相对较好。而碳纳米洋葱是以颗粒状态分散，在断面可以看出颗粒有少量团聚。

实施案例2：

各复合涂层的接触角测试结果可以看到，添加碳填料后的涂层表面的接触角均有微小程度的增加，根据前面采用扫描电镜对涂层表面的分析，添加了填料后的涂层表面相比空白涂层的表面，粗糙程度有一些增加，但是这些填料并没有露出涂层表面，而是被有机物包裹住，因此复合涂层的表面状态与空白涂层相近，润湿性并没有太大的变化，说明碳纳米填料的添加没有改变涂层表面的润湿性。

实施案例3：

采用电化学阻抗谱可以监测涂层腐蚀过程的电化学行为，通过给被测电极施加一个小振幅的正弦交变的扰动信号，等效电路模型进行拟合与分析，测得阻抗或者导纳，然后根据数学模型或者选择合适的得到涂层体系的电化学信息。小，不会对涂层造成破坏，也不会对电极造成不可逆的影响，阻抗测试施加的扰动非常可以快速获得与涂层性质以及涂层腐蚀失效过程有关的涂层电容、涂层电阻、金属界面双电层电容以及电荷转移电阻等各项电化学参数，能够从多个方面探究涂层失效机理及基体界面的腐蚀机理。因此，电化学阻抗谱己经成为现在研究有机防腐涂层的重要手段。用电化学阻抗谱来研究涂层的防腐性能的方法主要有两种，一种是根据所测得的电化学阻抗谱图来建立对应的等效电路，从而得知涂层体系的结构和性能上的变化；二是根据建立的等效电路对阻抗谱图进行拟合，获得与涂层有关的相关参数，从而对涂层的防腐性能进行评价。添加不同填料的复合涂层的阻抗谱图看出，所有涂层的阻抗谱图在高频区均出现了一个容抗弧，其对应的是涂层的阻挡腐蚀介质的性能，而在低频区大部分涂层的阻抗谱图出现的是不完整的半圆，其对应的是涂层与铝基底界面之间的性质，但是两个容抗弧的界限并不清晰。随着填料含量的增加，涂层的容抗弧先增大后减小，表明填料的增加对涂层的防腐性能有一定程度的增强效果，但是不同的填料使得涂层容抗弧的大小有不同的变化。随着石墨烯含量的增加，复合涂层高频上的的容抗弧半径大小先增大后减小。表明石墨烯的添加提高了涂层的防腐性能，其原因是石墨烯分散在涂层中形成了多个物理阻挡层，增加了腐蚀介质渗入涂层到达基底的路径长度，使得腐蚀介质到达基底需要的时间变长，达到阻碍其渗透的目的。当石墨烯添加量达到0.4wt%时，容抗弧达到最大，表明复合涂层的防腐性能达到最大。但是随着石墨烯含量的继续增加，涂层的防腐性能开始下降，这是由于填料含量较低时，石墨烯能较好分散在涂层中改善其缺陷，阻止腐蚀介质的渗入，因此能有效提高涂层的抗腐蚀性能。而当纳米填料含量过高时，在涂层中容易团聚，增加了涂层的微孔缺陷，为腐蚀介质的浸入提供了通道，因此防腐性能降低。随着氧化石墨烯含量的增加，复合涂层高频上的容抗弧也是先增大后减小，并且在氧化石墨烯含量为0.4wt%时达到最大值。但是添加氧化石墨烯的复合涂层的抗腐蚀性能并没有太大的提高，可能是氧化石墨烯的氧化程度太高，其片层上的缺陷较多，不能像石墨烯那样可以有效阻碍腐蚀介质的渗入。而且石墨烯本身具有疏水的性质，在涂层中在一定程度上能够阻挡水分子的扩散，而氧化石墨烯具有很强的亲水性，能够促进水分子扩散。通过分析以上实验结果，说明碳纳米填料的添加均能够在一定程度上提高涂层的防腐性能。但是不同结构，以及不同表面状态的碳纳米填料对涂层防腐性能的提高不同。

Claims

1.一种碳基水性复合涂料，制备原料包括：氢氧化钠；氯化钠；无水碳酸钠；硅酸钠；二烷基磺酸钠；防腐涂料。

2.根据权利要求1所述的碳基水性复合涂料，其特征是碳基水性复合涂料的制备步骤为：将碳材料按照0.2 wt% , 0.4 wt% , 0.6 wt%, 0.8 wt%的比例加入到工业水性涂料中，其中碳纳米管是以浆料形式加入，其质量比为5wt%，其余碳材料以粉末形式加入，然后用高速分散机在7000 r/min条件下分散30 min，再置于360 W的超声清洗器中，控制温度为常温，超声分散1h，使填料能均匀分散到涂料中。

3.根据权利要求1所述的碳基水性复合涂料，其特征是碳基水性复合涂料的检测步骤为：实验以铝箔作为金属基底，涂覆涂料前需要将铝箔进行脱脂处理，实验所用的脱脂液配方为:15gNaOH,40g Na2C03；15g Na2Si03, 1g十二烷基磺酸钠以及1000 mL去离子水水，脱脂的方法是将240 mmx 140 mm的铝箔放入脱脂液中静置2 min后马上拿出，然后用去离子水反复冲洗，直到铝箔表面没有水泡，然后用吹风机吹干备用，实验采用手动刮涂法涂覆，利用涂布棒与平面之间具有一定的间隙来制得一定厚度的湿膜，然后将湿膜置于262 0C的鼓风干燥箱中干燥4_5 s后立即拿出，采用Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测试涂料的成分组成，测试方法是:将涂料涂到硅胶板上，放到70℃的烘箱里烘24 h，去除水分，直到涂料完全干燥成膜，取膜状样品以全反射模式测试红外光谱吸收光谱，采用日本HITACHI生产的SU-70型扫描电子显微镜(C SEM)观察各组分材料的表面和断面形貌以及涂层浸泡后表面的腐蚀情况，加速电压为0.5 kV，二次电子成像，采用JGW-360C动态接触角测定仪测试涂层表面的亲水角，测试方法是将被测铝箔放在工作台上，用微量进样器注入10μL的蒸馏水，竖直滴在铝箔表面上，静置1 min后拍照，水滴的亲水角用软件计算，电化学测试采用上海辰华CHI66E型电化学工作站测试涂层的交流阻抗和极化曲线，电解液为3.5wt%的NaCl，对电极是铂电极，参比电极采用Ag/AgCl电极，工作电极是面积为1 cm-2的涂有涂层的铝箔样品，电化学阻抗测试的频率范围是10-2-105 Hz,振幅是20 mV，测试前在3.5wt%NaCl中浸泡约30 min，等到待测电极的开路电位稳定后，即可开始测试，极化曲线测试的电压范围是相对于开路电位的-0.3V -0.3V，测试前也需要在3.5wt%NaCl中浸泡约30 min。

4.根据权利要求1所述的碳基水性复合涂料，其特征是采用溶液共混法将六种碳纳米填料添加到工业水性防腐涂料中，经过高速搅拌和超声分散处理，制备出复合涂料，并测试其红外光谱，对涂料进行成分分析，再将涂料涂覆在铝箔上，制备成涂层，采用扫描电镜表征涂层的表面及断面形貌，并测试了其表面润湿性和耐腐蚀性，红外光谱图显示，少量添加碳纳米填料的添加不会改变涂料的基团结构，通过扫描电子显微镜观察涂层的表面及断面形貌，石墨烯、氧化石墨烯，以及两种碳纳米管均能较好分散在复合涂层中，碳纳米洋葱在涂层中有少量团聚，随着碳纳米填料的添加，复合涂层表面的润湿性没有明显的变化，添加含氧的碳纳米填料的涂层的亲水角比添加不含氧的填料的涂层的小一些，复合涂层的防腐性能随碳纳米填料的增加呈现先提高后降低的趋势，填料含量较低的时候，能较好地分散在复合涂层中，当填料含量较高时，会产生少量团聚，与涂料的相容性降低，防腐性能降低，复合涂层的防腐性能先增大后减小，氧化前的碳纳米管含量为0.2wt%，其余碳填料含量为0.4wt%时，各复合涂层的防腐性能达到最佳，实验中，添加氧化后的碳纳米管的涂层防腐效果最好，填料含量在0.4wt%时，C/ACNT的孔隙电阻为63.37 MΩ/cm²，阻抗谱图中容抗弧最大，防腐性最好。