CN111138952A - 一种水性自修复涂层材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种水性自修复涂层材料的制备方法，涉及防腐技术领域，本发明采用石墨烯/四氧化三铁纳米颗粒作为自修复涂层的光热填料，复合纳米颗粒具有顺磁性，可以显著增加其在近红外的光热转化效率。涂层能够通过光热效应对裂纹和划痕进行自修复，避免了加工中和使用中的损失，进而实现对基材的长效保护。通过将石墨烯与四氧化三铁复合，得到的纳米颗粒可以均匀分散在树脂基体中，并且不发生团聚，形成的涂层能够通过对红外光响应进行自修复，具有可控快速的特点，并且可在低激光光强密度下对划痕快速修复。

Description

一种水性自修复涂层材料的制备方法
技术领域
本发明涉及防腐技术领域，特别是聚合物涂层的设计技术领域。
背景技术
聚合物涂层防护是目前航空航天、建筑、石油石化和军工等领域应用最为广泛的腐蚀防护手段。但是聚合物材料受外界环境作用，其微观结构容易发生变化，产生不同尺寸的微裂纹。微裂纹作为材料性能损伤的导火索，在材料内部的扩展、汇集将导致材料宏观开裂，从而使得材料的力学性能包括强度、硬度等大幅度降低，并且内部产生的微裂纹很难通过现有手段从外部进行修复。针对这一问题，研究学者提出自修复技术，即物体在受损时能够进行自我修复、恢复原有属性，从而保持自身功能完整的新技术。
自修复本质上是一种无需或者仅需很少的外在刺激，就能够修复表面损伤的涂层材料。其自修复机理主要有：热可逆修复，光致可逆修复和微胶囊修复。微胶囊修复法的制备工艺复杂，成本较高，在涂层方面的应用有较大的局限性，且不能实现多次修复；热可逆修复法需要有特定的修复环境或条件，涂层的透明性和成膜性容易受到影响。和热响应相比，光具有瞬时性、方向性、远程性等特点，因此也被用于聚合物自修复材料的激发源，目前应用的比较多的是基于紫外光光可逆化学反应的自修复，该类涂层体系修复时间较长，不利于即时修复。在聚合物合成过程中引入能够引发光热效应的纳米粒子作为光热填料，如金纳米粒子、聚多巴胺纳米粒子成为一种新型的自修复涂层应用。但是由于金纳米粒子十分昂贵，激发自修复需要的光强度高，聚多巴胺纳米粒子合成十分复杂等问题，使得这些应用难以实现。
目前，自修复的研究主要集中在热引发，但热引发只能短距离引发自修复，并且热引发自修复方法的加热过程会使材料受损部位及其周围的聚合物材料的结构受到破坏。
石墨烯是一种只有单个碳原子厚度的二维材料，石墨烯不仅具有优异的力学、热学和电学性能，而且在光热转换领域也具有优势。最近有研究表明，石墨烯与四氧化三铁复合形成复合材料具有超顺磁性，可显著增强其在近红外范围内的光吸收。但是石墨烯在基体中难以分散，并且容易团聚。因此，解决石墨烯复合材料在基体中的分散性和稳定性具有巨大的应用价值。
石墨烯作为自修复涂层填料，不仅价格昂贵，而且光热转化率有限。石墨烯比表面积大，在涂层中容易团聚。
目前的自修复涂层树脂多为溶剂型，存在溶剂有毒、易挥发、浪费、污染环境等缺点。
发明内容
针对以上缺陷，本发明提出一种成本低、合成简单的水性自修复涂层材料的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1）将氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、二甲基二乙氧基硅烷与水性环氧树脂（F0707）混合，在搅拌条件下进行反应，得到有机硅改性水性环氧树脂；
采用Hummer法制备氧化石墨，超声剥离后取得氧化石墨烯粉末，再在超声条件下将氧化石墨烯粉末溶于100ml水中，形成氧化石墨烯分散液；
2）将FeCl2水溶液和FeCl3水溶液与氧化石墨烯分散液混合，在100℃下搅拌2～3小时，形成氧化石墨烯/Fe3O4分散液；
3）将氧化石墨烯/Fe3O4分散液过滤、在真空下40度干燥24h，形成氧化石墨烯/Fe3O4粉体；
4）将氧化石墨烯/Fe3O4粉体在200～400℃电炉中加热2～4小时，形成石墨烯/Fe3O4纳米颗粒；
5）将有机硅改性水性环氧乳液、石墨烯/Fe3O4纳米颗粒、水、水性胺类固化剂、分散剂PE100、流平剂BYK34和消泡剂 BYK-028搅拌混合，形成水性自修复涂层材料。
本发明采用石墨烯/四氧化三铁纳米颗粒作为自修复涂层的光热填料，复合纳米颗粒具有顺磁性，可以显著增加其在近红外的光热转化效率。涂层能够通过光热效应对裂纹和划痕进行自修复，避免了加工中和使用中的损失，进而实现对基材的长效保护。通过将石墨烯与四氧化三铁复合，得到的纳米颗粒可以均匀分散在树脂基体中，并且不发生团聚。
本发明涂层能够通过对红外光响应进行自修复，具有可控快速的特点，并且可在低激光光强密度下对划痕快速修复。
本发明采用水为溶剂，不含任何有机溶剂，无挥发性有机物，非常环保。
本发明工艺简单，所有工艺均在室温下完成，节能环保，适合大规模生产。
本发明水性自修复涂层采用石墨烯/四氧化三铁复合材料作为光热填料，具有高的光热转换效率，能够通过近红外光照射响应进行自修复，具有可控快速的特点。本发明解决了石墨烯的团聚问题，而且本发明涂料溶剂为水，对环境友好。
进一步地，本发明所述有机硅改性水性环氧树脂中固含为50%（wt）。50%（wt）固含量的树脂不仅固含量较高，而且溶液稳定。
所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的浓度为0.1～10mg/ml。该浓度下范围内氧化石墨烯溶液可以稳定存在。
所述氧化石墨烯/Fe3O4分散液中铁氧体的含量为10～50%（wt），铁氧体浓度过低（小于10%）或过高（大于50%），则复合材料光热转换效率会降低；铁氧体的粒径为20～60nm，该纳米粒径下的铁氧体可以均匀的分布在氧化石墨烯片层结构上。
所述有机硅改性水性环氧乳液和石墨烯/Fe3O4纳米颗粒分别占水性自修复涂层材料投料总质量的40～60%和5～10%。其中，有机硅改性水性环氧乳液作为成膜物质，具有附着力强、耐酸碱性能好、以及耐侯性好的特点。石墨烯/Fe3O4纳米颗粒作为光热填料，具有良好的光热转换效率，并且能稳定的分散在树脂中。
具体实施方式
实施例1
1、制备自修复涂层材料：
将15g氨丙基三乙氧基硅烷（KH550），30g二甲基二乙氧基硅烷与100g水性环氧树脂（F0707）混合，1500rpm下搅拌3h，得到固含为50%的有机硅改性水性环氧树脂。
采用Hummer法制备氧化石墨，超声剥离后取得氧化石墨烯粉末。
再将0.4g氧化石墨烯粉末溶于100ml水中，超声30～40min形成4mg/ml氧化石墨烯分散液，浓度为0.1～10mg/ml。
取0.4g FeCl2.4H2O溶于20ml水中，取得FeCl2水溶液；取1g FeCl3.6H2O溶于40ml水中，取得FeCl3水溶液。
将FeCl2水溶液和FeCl3水溶液与氧化石墨烯分散液混合，在100℃下搅拌2～3小时，形成氧化石墨烯/Fe3O4分散液，其中铁氧体的含量为10%～50%，优选的为20%～30%，铁氧体的粒径为20～60nm。
将氧化石墨烯/Fe3O4分散液在真空下干燥24h，形成氧化石墨烯/Fe3O4粉体。
将氧化石墨烯/Fe3O4粉体在电炉中200～400℃下加热2～4小时，形成石墨烯/Fe3O4纳米颗粒。
将100g有机硅改性水性环氧乳液与15g石墨烯/Fe3O4纳米颗粒、20g水混合，1500rpm下搅拌1h，再加入30g水性胺类固化剂EA-15（艾迪克）、1g分散剂PE100、1g流平剂BYK346、1g消泡剂BYK028，在2500rpm下搅拌2h，得到光响应自修复涂层材料。
2、应用：
在洁净的铁皮表面涂覆一层光响应自修复涂层材料，固化成形。
3、涂层自修复的测试：
涂层自修复测试：用尖锐的刀片在完全固化之后的涂层上划一道宽度小于50μm的划痕，用473nm可见光激光，光强密度为3.5 W·cm-2照射3min即可对涂层表面的划痕进行修复。
实施例2
1、制备自修复涂层材料：
将20g氨丙基三乙氧基硅烷（KH550），30g二甲基二乙氧基硅烷与110g水性环氧树脂（F0707）混合，1500rpm下搅拌3h，得到固含为50%的有机硅改性水性环氧树脂。
采用Hummer法制备氧化石墨，超声剥离后取得氧化石墨烯粉末。
再将0.4g氧化石墨烯粉末溶于100ml水中，超声30～40min形成4mg/ml氧化石墨烯分散液，浓度为0.1～10mg/ml。
取0.4g FeCl2.4H2O溶于20ml水中，取得FeCl2水溶液；取1g FeCl3.6H2O溶于40ml水中，取得FeCl3水溶液。
将FeCl2水溶液和FeCl3水溶液与氧化石墨烯分散液混合，在100℃下搅拌2～3小时，形成氧化石墨烯/Fe3O4分散液，其中铁氧体的含量为10%～50%，优选的为20%～30%，铁氧体的粒径为20～60nm。
将氧化石墨烯/Fe3O4分散液在真空下干燥24h，形成氧化石墨烯/Fe3O4粉体。
将氧化石墨烯/Fe3O4粉体在电炉中200～400℃下加热2～4小时，形成石墨烯/Fe3O4纳米颗粒。
将80g有机硅改性水性环氧乳液与10g 石墨烯/Fe3O4纳米颗粒、10g水混合，1500rpm下搅拌0.5h，再加入20g水性胺类固化剂EA-15（艾迪克），0.5g分散剂PE100、0.5g流平剂BYK346、0.5g消泡剂BYK028，在2000rpm下搅拌2h，得到光响应自修复涂层材料。
2、应用：
在洁净的铁皮表面涂覆一层光响应自修复涂层材料，固化成形。
3、涂层自修复的测试：
用尖锐的刀片在完全固化之后的涂层上划一道宽度小于50μm的划痕，用473nm 可见光激光，光强密度为3.5 W·cm-2照射5min，即可对涂层表面的划痕进行修复。
实施例3
1、制备自修复涂层材料：
将15g氨丙基三乙氧基硅烷（KH550），30g二甲基二乙氧基硅烷与120g水性环氧树脂（F0707）混合，1500rpm下搅拌3h，得到固含为50%左右的有机硅改性水性环氧树脂。
采用Hummer法制备氧化石墨，超声剥离后取得氧化石墨烯粉末。
再将0.4g氧化石墨烯粉末溶于100ml水中，超声30～40min形成4mg/ml氧化石墨烯分散液，浓度为0.1～10mg/ml。
取0.4g FeCl2.4H2O溶于20ml水中，取得FeCl2水溶液；取1g FeCl3.6H2O溶于40ml水中，取得FeCl3水溶液。
将FeCl2水溶液和FeCl3水溶液与氧化石墨烯分散液混合，在100℃下搅拌2～3小时，形成氧化石墨烯/Fe3O4分散液，其中铁氧体的含量为10%～50%，优选的为20%～30%，铁氧体的粒径为20～60nm。
将氧化石墨烯/Fe3O4分散液在真空下干燥24h，形成氧化石墨烯/Fe3O4粉体。
将氧化石墨烯/Fe3O4粉体在电炉中200～400℃下加热2～4小时，形成石墨烯/Fe3O4纳米颗粒。
将50g有机硅改性水性环氧乳液与8g 石墨烯/Fe3O4纳米颗粒，15g水混合，2000rpm下搅拌1h，再加入15g水性胺类固化剂EA-15（艾迪克），0.5g分散剂PE100、0.5g流平剂BYK346、0.5g消泡剂BYK028，在1500rpm下搅拌2h；得到光响应自修复涂层材料。
2、应用：
在洁净的铁皮表面涂覆一层光响应自修复涂层材料，在室温下固化成形。
3、涂层自修复的测试：
用尖锐的刀片在完全固化之后的涂层上划一道宽度小于50μm的划痕，用785nm近红外光激光，光强密度为2.0 W·cm-2照射4min即可对涂层表面的划痕进行修复。

Claims (6)

1.一种水性自修复涂层材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将氨丙基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷与水性环氧树脂混合，在搅拌条件下进行反应，得到有机硅改性水性环氧树脂；
采用Hummer法制备氧化石墨，超声剥离后取得氧化石墨烯粉末，再在超声条件下将氧化石墨烯粉末溶于100ml水中，形成氧化石墨烯分散液；
2）将FeCl2水溶液和FeCl3水溶液与氧化石墨烯分散液混合，在100℃下搅拌2～3小时，形成氧化石墨烯/Fe3O4分散液；
3）将氧化石墨烯/Fe3O4分散液过滤、然后在真空下40度干燥24h，形成氧化石墨烯/Fe3O4粉体；
4）将氧化石墨烯/Fe3O4粉体在200～400℃电炉中加热2～4小时，形成石墨烯/Fe3O4纳米颗粒；
5）将有机硅改性水性环氧乳液、石墨烯/Fe3O4纳米颗粒、水、水性胺类固化剂、分散剂PE100、流平剂BYK34和消泡剂 BYK-028搅拌混合，形成水性自修复涂层材料。
2.根据权利要求1所述水性自修复涂层材料的制备方法，其特征在于所述有机硅改性水性环氧树脂中固含为50%（wt）。
3.根据权利要求1所述水性自修复涂层材料的制备方法，其特征在于所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的浓度为0.1～10mg/ml。
4.根据权利要求1所述水性自修复涂层材料的制备方法，其特征在于所述氧化石墨烯/Fe3O4分散液中铁氧体的含量为10～50%（wt）；铁氧体的粒径为20～60nm。
5.根据权利要求4所述水性自修复涂层材料的制备方法，其特征在于所述氧化石墨烯/Fe3O4分散液中铁氧体的含量为20～30%（wt）。
6.根据权利要求1所述水性自修复涂层材料的制备方法，其特征在于所述有机硅改性水性环氧乳液和石墨烯/Fe3O4纳米颗粒分别占水性自修复涂层材料投料总质量的40～60%和5～10%。
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