CN110028829A - 一种氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，包括制备氧化石墨烯复合高分子防腐涂料和涂刷等步骤。本发明氧化石墨烯复合高分子防腐涂料性能稳定，耐盐雾，热稳定性和化学稳定性好，对基底的附着力强，耐磨性能好，石墨表面含有羧基羟基等含氧基团及异氰酸酯基，能与固化剂形成稳定的原位复合胶体，能均匀稳定的溶于液态胺扩链剂中，进而能更好的溶于高分子涂料中，可以通过增减混合浆液中液态胺扩链剂的比例调整固化时间。

Description

一种氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用
技术领域
本发明涉及涂料领域，尤其涉及一种氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用。
背景技术
腐蚀问题目前已引起世界各国的高度重视。据统计，世界每年因腐蚀所造成的经济损失约占国民经济生产总值的2％-4％，我国每年由于腐蚀造成的损失约占国民生产总值的5％，因此腐蚀问题是我们急切需要解决的问题。
石墨烯是一种由碳原子构成的新型单层片状结构的二维(2D)层状材料，是由C原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜。每个晶格内有3个σ键，连接十分紧密，形成稳定的正六边形结构，而垂直于晶面方向的π键在其导电导热过程中起到了重要的作用。
独特的结构使石墨烯在防腐防磨领域展现了巨大的潜力。首先，石墨烯稳定的sp2杂化结构使其能在金属与活性介质间形成物理阻隔层，阻止扩散渗透的进行；其次，石墨烯具有很好的热稳定和化学稳定性，不论在高温条件下，还是在有腐蚀或者氧化性的气体、液体环境中均能保持稳定。另外，石墨烯良好的导电、导热性能对金属服役环境提供了有利的条件。石墨烯还是目前为止最薄的材料，其对基材的影响可以忽略不计；同时还兼具很高的强度和良好的摩擦学性能，不仅能提高导电性或耐烟雾性，还能进一步降低涂层厚度，增强对基材的附着力，提高涂料的耐磨性。能增强防腐材料的韧性、附着力、耐水性、硬度等物理化学性能。
但是石墨烯的共轭结构导致其与水、有机溶剂及聚合物的相容性较差，当加入量太少时，涂料的的硬度和耐磨性改善不明显；当石墨烯加入量过多时，石墨烯在涂料中容易造成团聚形成孔洞，造成缺陷，这不仅没有使性能得到改善，反而给水分子、氧气、氯离子等腐蚀因子进入涂层渗入到基底提供了通道，加速了基底的腐蚀，因而其在涂料领域的应用受到很大的限制。
发明内容
本发明针对现有石墨烯涂料防腐效果差的问题，提供一种氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备氧化石墨烯粉末：将10g研磨好的石墨粉浸入200ml浓硝酸中，0℃下浸泡1-2h，降温至-15℃，加入1ml浓磷酸和40g高铁酸钾，-10℃-60℃反应0.5-24h后离心分离，将滤饼用去离子水洗涤至洗液pH为6-7，置于真空干燥箱中，60℃-70℃干燥4-6h，制得氧化石墨烯粉末；
2)制备表面改性氧化石墨烯：将步骤1)所得氧化石墨烯粉末30℃下在偶联剂中浸泡12-15h，浸泡完毕后采用真空抽滤，滤饼用乙醇或丙酮进行洗涤，再在真空干燥箱中80℃干燥6-10h，制得表面含有氨基或异氰酸酯基的改性氧化石墨烯粉末；
3)制备表面改性氧化石墨烯胶体：取1-3重量份步骤2)所得粉末，与45-50重量份的端氨基聚醚混合45℃以下研磨6-8h，加入2.5重量份的钛白粉、4重量份的三聚磷酸二氢铝、4重量份的云母玻璃鳞、5重量份的滑石粉和4重量份的钛酸酯偶联剂，将混合物高速剪切研磨1-2h，制得表面改性氧化石墨烯胶体；
4)制备氧化石墨烯复合高分子防腐涂料：将步骤3)所得表面改性氧化石墨烯胶体与液态胺扩链剂混合，制得混合浆液，再将混合浆液与高分子涂料均匀混合，制得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料；
5)涂覆面表面处理：对涂覆面进行除锈，粗糙度控制在40微米，再将涂覆面清理干净；
6)涂刷底漆：涂覆面表面处理12小时内涂刷步骤4)所得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，涂刷前充分搅拌，涂刷后不流坠，不显刷纹；
7)重复涂刷：待涂刷漆面干燥后，重复步骤6)，重复涂刷2-3次。
其中，步骤2)中，所述偶联剂为KH550、KH570或异氰酸基硅烷偶联剂IPTS701中的一种；步骤3)中，所述端氨基聚醚为D220或D403；步骤4)中，所述液态胺扩链剂为乙二胺、N，N-二羟基苯胺、二氨基二甲硫基甲苯、丙二胺或异丙醇胺中的一种，所述表面改性氧化石墨烯胶体与所述液态胺扩链剂的质量比为(2-5):1，所述混合浆液与高分子涂料的质量比为1:(1-5)，所述高分子涂料为多异氰酸酯与聚醚二元醇反应制得的聚氨酯半预聚体、二酚基丙烷和环氧氯丙烯在氢氧化钠催化下制得双酚A型环氧树脂预聚体、异氰酸酯与氨基化合物生成的聚脲半预聚体或者聚丙烯酸半预聚体中的一种。
本发明的有益效果是：
1)本发明的氧化石墨烯复合高分子防腐涂料内石墨烯稳定的sp2杂化结构附着于基材表面，使其能在基材与活性介质间形成物理阻隔层，阻止扩散渗透的进行，防止水分子、氧气、氯离子等腐蚀性因子的渗入，耐盐雾持续时间可高达3000小时；
2)本发明氧化石墨烯复合高分子防腐涂料性能稳定，具有很好的热稳定性和化学稳定性，在高达1500℃下仍稳定存在，在具有腐蚀性或者氧化性的气体、液体环境中也能保持稳定；
3)本发明的氧化石墨烯复合高分子防腐涂料具有良好的导电性、导热性，具有防静电性能，对金属基底的工作环境提供了有利条件；
4)本发明的氧化石墨烯复合高分子防腐涂料所含有的表面改性氧化石墨烯强度高，降低了涂层厚度，增加了涂层对基底的附着力，提升了涂层的耐磨性，降低了涂层对基底的影响；
5)本发明的氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，使石墨表面含有羧基羟基等含氧基团及异氰酸酯基，能与固化剂形成稳定的原位复合胶体，能均匀稳定的溶于液态胺扩链剂中，进而能更好的溶于高分子涂料中，解决了石墨溶解性差的问题，增强了涂层的防腐耐磨保温等性能；
6)本发明的氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，混合浆液的碱性强弱和含量都可影响固化时间，实际应用中可以通过更换混合浆液中液态胺扩链剂调整固化时间，也可以通过增减混合浆液中液态胺扩链剂的比例调整固化时间，固化时间可由几秒至十几分钟任意调节，操作更具可调节性；
7)本发明制得的氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，不与选用涂料发生化学反应，不仅能具有原涂料的优越性能，更使涂层增加了韧性好、附着力强、耐腐蚀好，抗磨性好、保温性高等优点。
8)本发明的氧化石墨烯复合高分子防腐涂料性能稳定，对基底基本无影响，对环境无危害，是环保型的防腐耐磨保温材料。
附图说明
图1为本发明所得表面改性的氧化石墨烯的电镜图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，包括以下步骤：
1)制备氧化石墨烯粉末：将10g研磨好的石墨粉浸入200ml浓硝酸中，0℃下浸泡1-2h，降温至-15℃，加入1ml浓磷酸和40g高铁酸钾，-10℃反应24h后离心分离，将滤饼用去离子水洗涤至洗液pH为6-7，置于真空干燥箱中，60℃-70℃干燥4-6h，制得氧化石墨烯粉末；
2)制备表面改性氧化石墨烯：将步骤1)所得氧化石墨烯粉末30℃下在偶联剂中浸泡12-15h，浸泡完毕后采用真空抽滤，滤饼用乙醇或丙酮进行洗涤，再在真空干燥箱中80℃干燥6-10h，制得表面含有氨基或异氰酸酯基的改性氧化石墨烯粉末；
3)制备表面改性氧化石墨烯胶体：取1-3重量份步骤2)所得粉末，与45-50重量份的端氨基聚醚D220混合45℃以下研磨8h，加入2.5重量份的钛白粉、4重量份的三聚磷酸二氢铝、4重量份的云母玻璃鳞、5重量份的滑石粉和4重量份的钛酸酯偶联剂，将混合物高速剪切研磨2h，制得表面改性氧化石墨烯胶体，所得表面改性氧化石墨烯片层长度为50nm，厚度为0.5nm；
4)制备氧化石墨烯复合高分子防腐涂料：将步骤3)所得表面改性氧化石墨烯胶体与液态胺扩链剂乙二胺按质量比为2:1混合，制得混合浆液，再将混合浆液与高分子涂料按质量比为1:1均匀混合，制得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，其中高分子涂料为多异氰酸酯与聚醚二元醇反应制得的聚氨酯半预聚体；
5)涂覆面表面处理：对涂覆面进行除锈，粗糙度控制在40微米，再将涂覆面清理干净；
6)涂刷底漆：涂覆面表面处理12小时内涂刷步骤4)所得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，涂刷前充分搅拌，涂刷后不流坠，不显刷纹；
7)重复涂刷：待涂刷漆面干燥后，重复步骤6)，重复涂刷2-3次。
实施例2
一种氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，包括以下步骤：
1)制备氧化石墨烯粉末：将10g研磨好的石墨粉浸入200ml浓硝酸中，0℃下浸泡1-2h，降温至-15℃，加入1ml浓磷酸和40g高铁酸钾，20℃反应12h后离心分离，将滤饼用去离子水洗涤至洗液pH为6-7，置于真空干燥箱中，60℃-70℃干燥4-6h，制得氧化石墨烯粉末；
2)制备表面改性氧化石墨烯：将步骤1)所得氧化石墨烯粉末30℃下在偶联剂中浸泡12-15h，浸泡完毕后采用真空抽滤，滤饼用乙醇或丙酮进行洗涤，再在真空干燥箱中80℃干燥6-10h，制得表面含有氨基或异氰酸酯基的改性氧化石墨烯粉末；
3)制备表面改性氧化石墨烯胶体：取1-3重量份步骤2)所得粉末，与45-50重量份的端氨基聚醚D403混合45℃以下研磨7h，加入2.5重量份的钛白粉、4重量份的三聚磷酸二氢铝、4重量份的云母玻璃鳞、5重量份的滑石粉和4重量份的钛酸酯偶联剂，将混合物高速剪切研磨2h，得表面改性氧化石墨烯胶体，表面改性氧化石墨烯片层长度为70nm，厚度为5nm；
4)制备氧化石墨烯复合高分子防腐涂料：将步骤3)所得表面改性氧化石墨烯胶体与液态胺扩链剂N，N-二羟基苯胺按质量比为3:1混合，制得混合浆液，再将混合浆液与高分子涂料按质量比为1:3均匀混合，制得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，其中高分子涂料为二酚基丙烷和环氧氯丙烯在氢氧化钠催化下制得双酚A型环氧树脂预聚体；
5)涂覆面表面处理：对涂覆面进行除锈，粗糙度控制在40微米，再将涂覆面清理干净；
6)涂刷底漆：涂覆面表面处理12小时内涂刷步骤4)所得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，涂刷前充分搅拌，涂刷后不流坠，不显刷纹；
7)重复涂刷：待涂刷漆面干燥后，重复步骤6)，重复涂刷2-3次。
实施例3
一种氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，包括以下步骤：
1)制备氧化石墨烯粉末：将10g研磨好的石墨粉浸入200ml浓硝酸中，0℃下浸泡1-2h，降温至-15℃，加入1ml浓磷酸和40g高铁酸钾，60℃反应0.5h后离心分离，将滤饼用去离子水洗涤至洗液pH为6-7，置于真空干燥箱中，60℃-70℃干燥4-6h，制得氧化石墨烯粉末；
2)制备表面改性氧化石墨烯：将步骤1)所得氧化石墨烯粉末30℃下在偶联剂中浸泡12-15h，浸泡完毕后采用真空抽滤，滤饼用乙醇或丙酮进行洗涤，再在真空干燥箱中80℃干燥6-10h，制得表面含有氨基或异氰酸酯基的改性氧化石墨烯粉末；
3)制备表面改性氧化石墨烯胶体：取1-3重量份步骤2)所得粉末，与45-50重量份的端氨基聚醚D220混合45℃以下研磨6h，加入2.5重量份的钛白粉、4重量份的三聚磷酸二氢铝、4重量份的云母玻璃鳞、5重量份的滑石粉和4重量份的钛酸酯偶联剂，将混合物高速剪切研磨1h，制得表面改性氧化石墨烯胶体，其中表面改性氧化石墨烯片层长度为100nm，厚度为10nm；
4)制备氧化石墨烯复合高分子防腐涂料：将步骤3)所得表面改性氧化石墨烯胶体与液态胺扩链剂丙二胺或异丙醇胺按质量比为5:1混合，制得混合浆液，再将混合浆液与高分子涂料按质量比为1:5均匀混合，制得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，其中高分子涂料是异氰酸酯与氨基化合物生成的聚脲半预聚体；
5)涂覆面表面处理：对涂覆面进行除锈，粗糙度控制在40微米，再将涂覆面清理干净；
6)涂刷底漆：涂覆面表面处理12小时内涂刷步骤5)所得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，涂刷前充分搅拌，涂刷后不流坠，不显刷纹；
7)重复涂刷：待涂刷漆面干燥后，重复步骤6)，重复涂刷2-3次。
将本发明实施例1-3所得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料与现有石墨烯涂料在相同状态下进行对比，如表1。从表中数据可以看出，实施例1-3可通过控制液态胺扩链剂的含量来实现凝胶时间从6s到20分钟的变化，可满足多种情况下的涂覆需求。实施例1-3所得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料各性能均强于现有石墨烯涂料，具有优异的防腐耐磨性能。
表1.实施例1-3和现有石墨烯涂料性能对比
实施例1 实施例2 实施例3 现有
凝胶时间(s) 10 200 1500 30
拉伸强度(MPa) 28 31 33 20
断链伸长率(％) 280 328 358 20
撕裂强度(N/MM) 52 55 46 5
硬度(邵A) 94 103 95 60
附着力(MPa) 14.8 13.1 12.2 8
图1为本发明所得表面改性的氧化石墨烯的电镜图，从图中可以看出，所得表面改性的氧化石墨烯二维片层结构完整。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备氧化石墨烯粉末：将10g研磨好的石墨粉浸入200ml浓硝酸中，0℃下浸泡1-2h，降温至-15℃，加入1ml浓磷酸和40g高铁酸钾，-10℃-60℃反应0.5-24h后离心分离，将滤饼用去离子水洗涤至洗液pH为6-7，置于真空干燥箱中，60℃-70℃干燥4-6h，制得氧化石墨烯粉末；
2)制备表面改性氧化石墨烯：将步骤1)所得氧化石墨烯粉末30℃下在偶联剂中浸泡12-15h，浸泡完毕后采用真空抽滤，滤饼用乙醇或丙酮进行洗涤，再在真空干燥箱中80℃干燥6-10h，制得表面含有氨基或异氰酸酯基的改性氧化石墨烯粉末；
3)制备表面改性氧化石墨烯胶体：取1-3重量份步骤2)所得粉末，与45-50重量份的端氨基聚醚混合45℃以下研磨6-8h，加入2.5重量份的钛白粉、4重量份的三聚磷酸二氢铝、4重量份的云母玻璃鳞、5重量份的滑石粉和4重量份的钛酸酯偶联剂，将混合物高速剪切研磨1-2h，制得表面改性氧化石墨烯胶体；
4)制备氧化石墨烯复合高分子防腐涂料：将步骤3)所得表面改性氧化石墨烯胶体与液态胺扩链剂混合，制得混合浆液，再将混合浆液与高分子涂料均匀混合，制得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料；
5)涂覆面表面处理：对涂覆面进行除锈，粗糙度控制在40微米，再将涂覆面清理干净；
6)涂刷底漆：涂覆面表面处理12小时内涂刷步骤4)所得氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，涂刷前充分搅拌，涂刷后不流坠，不显刷纹；
7)重复涂刷：待涂刷漆面干燥后，重复步骤6)，重复涂刷2-3次。
2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合高分子防腐涂料，其特征在于，步骤2)中所述偶联剂为KH550、KH570或异氰酸基硅烷偶联剂IPTS701中的一种。
3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，其特征在于，步骤3)中所述端氨基聚醚为D220或D403。
4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，其特征在于，步骤4)中所述液态胺扩链剂为乙二胺、N，N-二羟基苯胺、二氨基二甲硫基甲苯、丙二胺或异丙醇胺中的一种。
5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，其特征在于，步骤4)中所述表面改性氧化石墨烯胶体与所述液态胺扩链剂的质量比为(2-5):1。
6.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，其特征在于，步骤4)中所述混合浆液与高分子涂料的质量比为1:(1-5)。
7.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合高分子材料在防腐涂料中的应用，其特征在于，步骤4)中所述高分子涂料为多异氰酸酯与聚醚二元醇反应制得的聚氨酯半预聚体、二酚基丙烷和环氧氯丙烯在氢氧化钠催化下制得双酚A型环氧树脂预聚体、异氰酸酯与氨基化合物生成的聚脲半预聚体或者聚丙烯酸半预聚体中的一种。
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