CN109971230A - 一种公路设施用环保型石墨烯低锌重防腐涂料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯低锌重防腐涂料，包括A组份和B组份，B组份含固化剂，A组份按质量百分比由以下组成：石墨烯1～15份、混合树脂30～50份、基础溶剂0～20份、锌粉0～20份，填料10～30份，助剂1～5份；其中混合基础树脂为羟基丙烯酸树脂、丙烯酸树脂和氨基树脂的混合水分散液，或环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂中的一种或几种混合物。本发明的涂料具有高耐候性和耐磨性的特点，可广泛应用于栏板、立柱等高速公路护栏设施和相关交通配套设施的外层防护，也可用于大型工程机械、输变电设施及其它户外钢结构防护。

Description

一种公路设施用环保型石墨烯低锌重防腐涂料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种公路设施用环保型石墨烯低锌重防腐涂料及制备方法，具体涉及到石墨烯重防腐粉末涂料及水性浆料的制备。

背景技术

高速公路交通设施要经受长期的阳光曝晒、风雨侵蚀、季节温变和环境介质的作用，其钢材表面需要一层保护膜以保证材料在如此复杂的环境下保持长久的寿命。传统的钢材表面处理的方式包括喷漆、镀锌、镀铝、喷锌和喷铝等。普通的涂膜层较薄，附着力较低，耐侯性和防腐性较差。锌或铝的喷镀防腐性能较好，但易受酸雨盐雾的腐蚀，且颜色单一，不易清洁。

重防腐涂料是防腐涂料的一种，属于金属防腐蚀领域，其应用范围几乎涵盖所有金属结构。但是重防腐涂料因其强大的防腐效果和长效的保护期限主要应用在短期维护成本高和腐蚀环境相对恶劣的情况，如高温高湿、浸水、蒸汽、酸碱环境里。在重防腐涂料中，富锌重防腐涂料是使用率比较高的涂料，其防腐机理基于金属锌粉对钢铁的阴极保护作用，锌粉含量与其防腐效果密切相关，但高含量的锌粉(60％～85％)也为富锌底漆带来了诸多弊端：(1)大量锌粉的使用，在焊接和切割等热加工时产生的氧化锌烟尘和锌蒸气，会对人体健康带来影响，易导致“锌热病”；(2)锌粉含量高，导致漆膜致密性差、强度低，与面漆的配套性差；(3)环氧富锌底漆密度大，不符合减重降耗理念。

作为近来纳米科学领域的研究热点，新兴的石墨烯由于具有独特的二维结构、高比表面积和优异的电学和热学性能受到了广泛关注。石墨烯是是一种单原子层片状材料，是目前已知强度最高的材料(达130GPa)，其比表面积高达 2630m²/g，电子迁移率超过15000cm²V^-1s^-1。此外，石墨烯本身就具有优异的热稳定性、耐候性、耐老化及机械强度等，因此分散良好的石墨烯应用于涂层中，可以获得很好的屏蔽性和导电性。石墨烯在树脂中可以形成良好的导电网络，提高锌粉的利用率，大幅降低锌粉使用量，并增强锌粉的阴极保护作用，从而弥补富锌涂层的相关不足。因此，把石墨烯添加到锌基重防腐涂料中，对于新型重防腐涂料的应用具有重大意义。

石墨烯水性涂料报道较多，如水性导电涂料可应用于电磁屏蔽、抗静电、防腐、散热、耐磨及电子线路等领域；石墨烯改性丙烯酸酯聚合物水泥防水涂料，显著增加了丙烯酸酯类聚合物乳液成膜的抗拉强度和韧性，提高了耐水性，具有良好的耐久性、抗渗性以及物理力学性能；石墨烯/聚氨酯原位聚合的水性导电涂料，具有防辐射、抗静电、防腐蚀、耐磨等特性，可用于高分子材料、金属材料、纺织材料表面等方面。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种具有高耐候性的低锌含量石墨烯重防腐涂料，通过不同的产品形式以及涂布方式，制备溶剂型和粉末型石墨烯重防腐涂料，可广泛应用于高速公路护栏设施和相关交通配套设施的外层防护，也可用于大型工程机械、输变电设施及其它户外钢结构防护。

本发明由于石墨烯的添加以及官能性树脂的应用，重防腐涂料具有优异的防腐和力学性能、原料价格低廉、环境友好，并且制备方法简单，种类多样化等优点。

为了实现上述目的，本发明综合利用了石墨烯优异的力学、电学等物理性质，与官能性树脂优良的附着力，高强度及优异的耐候性。将高质量的工业级薄层石墨烯和填料在各种助剂的协同作用下分散在不同的树脂体系中，制备出一种高性能的低锌含量重防腐涂料。

涂料的施工主要分为浸渍与喷涂两种工艺。浸涂涂料是一类采用浸涂法施工的涂料。其操作是将被涂物全部浸没在漆液中，待各部位都沾上漆液后将被涂物提起离开漆液，自然或强制地使多余的漆液滴回到漆槽内，经干燥后在被涂物表面形成涂膜。浸涂法最适宜的工作温度为15～30℃，一次浸涂的厚度一般控制在20～30微米。在干燥过程中不起皱的热固性涂料，厚度允许达40微米。浸涂涂料省工省料，施工效率高，经常是流水线作业，适用于成批涂装单一颜色的产品(如各种机架、零件等)。但被涂物件不宜过大，物面不应有：积漆的凹面或凸面。只能用于颜色一致的涂装，不能套色，且被涂物上下部的涂膜厚薄不均匀，溶剂挥发量大，易污染环境，涂料的损耗率也较大，一般不适用于挥发性快、干燥快的涂料。而采用喷涂工艺，其优势明显。如特点下所示，其一、喷涂均匀，涂层平整、光滑、致密，无刷痕、滚痕和颗粒，较少“过喷”和涂料反弹，可深入墙面空隙，使漆膜与墙面形成致密咬合，涂层附着力高，表面质量极佳，使用寿命长；其二、喷涂效率相当高，是传统滚筒施工方式的10倍左右，节省人力工时效率，而且还可相对节省约两三成的涂料；其三、节约了昂贵的稀释剂费用，降低了施工成本，对消费者来说，费用甚至低于手工涂刷两成左右；其四、没有施工死角，类似墙角，暖气后这样的位置一样可以均匀附着。本发明对不同产品分别采用不同的工艺，选择性大。

本发明为实现其目的所采用的技术方案是：本发明石墨烯重防腐涂料包括如下组分：

A组份：

B组份：固化剂。

进一步地，本发明所述混合树脂体系为羟基丙烯酸树脂、丙烯酸树脂和氨基树脂的混合水分散液，或环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂中的一种或几种混合物。

进一步地，本发明所述基础溶剂为清水。

进一步地，本发明所述填料为钛白粉，颜填料，高反光填料，玻璃微珠中的一种或几种混合物。

进一步地，本发明所述助剂为分散剂、润湿剂、抗氧化剂、增韧剂、流平剂、消泡剂、紫外光吸收剂中的一种或几种混合物。

进一步地，本发明所述石墨烯厚度为1～3nm,锌粉粒径小于30nm，填料粒径小于5～50μm。

本发明的石墨烯重防腐涂料的制备方法如下：

称取30～50质量份的混合树脂、0～20质量份的溶剂、1～15质量份的高质量工业级薄层石墨烯、0～20质量份的锌粉、10～30质量份的填料、1～5质量份的助剂，充分混合得到混合液或者固体；后将所述混合的溶液或者固体分别置于砂磨机与球磨机中进行研磨，其研磨速度为5000～8000r/min,研磨时间为4～10小时。

制备出的涂料分别采用浸渍与喷涂的两种工艺对器件进行处理。

与现有技术相比，本发明的优点是：(1)本发明使用的高质量薄层石墨烯具有优异的热稳定性、耐候性、耐老化及机械强度等，形成的物理屏蔽层可以使涂层获得良好的屏蔽性。

(2)本发明使用高导电的薄层石墨烯在水溶剂型涂料中构成良好的导电网络，增强锌粉的阴极保护作用，提高锌粉的利用率，大幅降低锌粉使用量。在粉末涂料中完全不添加锌粉，纯粹利用石墨烯和致密树脂膜的物理屏蔽作用起到防腐效果。

(3)本发明使用具有官能性的混合树脂作为涂料的成膜材料，在钢结构表面具有良好的附着力、机械强度高及耐磨、耐老化效果优异等优点。填料中的钛白粉和玻璃微珠可以有效提高涂层的耐磨性能；高反光填料的加入可以增强涂层在夜间和雨雾雪天的反光能力，提高道路设施的可见性，提高了涂料在高速公路交通设施上的适用性。

(4)本发明中的水溶剂型涂料使用水性树脂分散体为基础树脂体系，采用清水作为溶剂和分散剂，替代了有机溶剂，涂料使用后减少了VOC的挥发，是一种优良的环境友好型重防腐涂料。

(5)本发明重防腐涂料可以根据不同的设施要求，采用浸渍或者喷涂的工艺于设备之上，以提升防腐效果，增强力学性能，操作简单，投资少，能耗低，因此，易于推广与产业化。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

如果无特殊说明，本发明的实施例中的所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。

实施例1取平均径向尺寸约20μm、平均厚度约2nm的高质量工业级薄层石墨烯5份(如下非特别说明，均为重量份)，平均粒径约10μm的锌粉15 份，钛白粉5份，在丙酮中超声1h，90℃烘干得到石墨烯基复合粉体。然后再与固含量为80％的羟基丙烯酸树脂水分散液50份，丙烯酸树脂水分散液50份，氨基树脂水分散液20份，清水20份，分散剂1份、润湿剂1份、流平剂1份、消泡剂1份，在真空行星搅拌器中搅拌分散(5000rpm,4h),后在砂磨机中砂磨5 小时，8000rpm,得到最终重防腐涂料。

对设备外表面使用涂料使用浸渍工艺，待涂料120℃固化完成，进行漆膜性能测试。

漆膜厚度测试：

按照GB/T 13452.2.2008色漆和清漆漆膜厚度的测定的规定，使用DT-156 型漆膜厚度测试仪对一次刷涂干燥后的漆膜厚度进行直接测量。

漆膜硬度测试：

按照GB/T 6739-2006对漆膜硬度测试的规定，使用便携式铅笔划痕试验仪对漆膜进行硬度测试。测试方法如下：准备露出柱形铅芯5-6mm的铅笔，使用砂纸将笔芯摩擦出平整的端面且具有锐利的边缘。把铅笔安装在仪器上，然后将仪器放在被测试板上，使其缓慢的前进，从6H型号开始，依次更换铅笔，到6B 结束，每种铅笔划出5道约3mm长的划痕，直到找出没有损伤涂膜的铅笔，此铅笔的硬度即涂膜的硬度。

漆膜附着力测试：

按照GB 1720.89(79)对涂膜附着力的划圈法测试方法的规定，使用电动漆膜附着力试验仪对本章的漆膜附着力进行测试。测试方法如下：制作100mm×60 mm×2mm的涂膜试样，涂膜面朝上固定在工作台上并使固定板加固，将鳄鱼夹夹住镶片，首先连通刺穿电路，打开开关：加砝码至刺透，开始测试，根据圆滚性图形判断涂膜的实验附着力。

漆膜耐冲击强度测试：

按照GB/T 1732.1993对漆膜冲击强度测试方法的规定，采用QCJ型漆膜冲击器对本章的涂膜进行冲击强度测试，测试方法如下：将样板在仪器上放好，漆膜朝上，将重锤提起，然后自由落体砸在样板上，观察漆膜是否有裂纹、皱皮、剥落等现象，若没有，增加重锤高度重新测试，直到漆膜表面受到损伤或者可以承受50cm高的重锤冲击为止。

动电位极化曲线分析：

动电位极化曲线测试时通过测量穿过工作电极的腐蚀电流随电极电位的变化来快速研究涂料的耐腐蚀性能。利用CHI660A电化学工作站，以铂电极为对电极，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，以涂覆了水性环氧树脂重防腐涂层的钢板(0.5cm×0.5cm)为工作电极，测试水性重防腐涂料试件的动电位极化曲线，对其防腐蚀性能作出评价。

中性盐雾试验：

按照GB/T 1771-2007对涂料体系进行中性盐雾试验方法的规定，采用 YWX/Q-150型盐雾腐蚀试验箱对本章的重防腐涂层进行中性盐雾腐蚀试验，实验NaCl溶液浓度50g/L，pH值为7，测试温度35℃，Q215冷轧钢板涂层试样(100 mm×60mm×2mm)，对重防腐涂料进行1000h中性盐雾试验。

实施例2取平均径向尺寸约20μm、平均厚度约2nm的高质量工业级薄层石墨烯10份，平均粒径约15μm的钛白粉10份，在丙酮中超声1h，然后在此丙酮溶液中加入100份的聚酯树脂，在高速分散搅拌器中搅拌分散(5000rpm, 4h)，90℃烘干得到石墨烯基复合聚酯树脂。将得到的石墨烯基复合聚酯树脂粉碎到50μm以下，然后再把下述的原料按如下的重量百分比混合均匀：石墨烯基复合聚酯树脂：20～60份，填料：5～30份，助剂：2～10份；然后通过螺杆熔融挤出，最后细粉碎和过筛，得到石墨烯基粉末重防腐涂料。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述的特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种石墨烯低锌重防腐涂料，其特征在于，该涂料包括A组份和B组份，B组份含固化剂，A组份按质量百分比由以下组成：石墨烯1～15份、混合树脂30～50份、基础溶剂0～20份、锌粉0～20份，填料10～30份，助剂1～5份。

2.根据权利要求1所述的石墨烯低锌重防腐涂料，其特征在于石墨烯为高导电薄层石墨烯。

3.根据权利要求1所述的石墨烯低锌重防腐涂料，其特征在于混合树脂体系为羟基丙烯酸树脂、丙烯酸树脂和氨基树脂的混合水分散液，或环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂中的一种或几种混合物。

4.根据权利要求1所述的石墨烯低锌重防腐涂料，其特征在于基础溶剂为清水，或乙醇、丙酮、二甲苯、正丁醇中的一种或几种混合物。

5.根据权利要求1所述的石墨烯低锌重防腐涂料，其特征在于填料为钛白粉，颜填料，高反光填料，玻璃微珠中的一种或几种混合物。

6.根据权利要求1所述的石墨烯低锌重防腐涂料，其特征在于助剂为分散剂、润湿剂、抗氧化剂、增韧剂、流平剂、消泡剂、紫外光吸收剂中的一种或几种混合物。

7.根据权利要求1所述的石墨烯低锌重防腐涂料，将其以喷涂、刮涂、旋涂、浸涂中任意一种方式涂布基体材料表面，并应用于相关领域。