CN113150644A - 一种pH响应石墨烯基固体缓蚀剂自修复涂料的制备方法 - Google Patents
一种pH响应石墨烯基固体缓蚀剂自修复涂料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种pH响应石墨烯基固体缓蚀剂自修复涂料,其制备方法包括以下步骤:(1)RGO@ZIF@SiO2杂化材料的制备;(2)RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层的制备;通过测试分析可以得出,RGO@ZIF@SiO2杂化物被成功的制备,且RGO@ZIF@SiO2杂化物在酸性条件下(pH响应)能够快速分解释放2‑甲基咪唑缓蚀剂,固体缓蚀剂负载率约为63.0%;而在碱性和中性条件下则非常稳定;此外,由于RGO@ZIF@SiO2杂化物集合“被动防护”与“主动修复”于一体,能在涂层遭受腐蚀或损害后主动保护金属基体,因此,RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层具有优异的耐蚀性能。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯基防腐自修复涂料制备方法领域,具体涉及一种具有pH响应功能的RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂料的制备方法及应用。
背景技术
传统的有机涂层主要以“被动”防腐为主,即仅考虑涂层的物理屏障作用;面对日益复杂的服役环境,被动的有机涂层屏障一旦发生损坏,腐蚀性介质便可以在缺陷区与金属基体自由接触,不能继续起到保护金属的作用;近年来,自修复材料具有在遭受损伤后“主动”恢复材料原有性能的特性,在各个领域引起了广泛的关注;利用自修复技术,可在涂层遭到外力破坏或环境损伤后,在一定刺激条件下主动恢复其原有的防腐作用,延长金属使用寿命,减小安全隐患风险;鉴于一种“被动”主体,“活性”客体自修复涂层的设计理念,结合石墨烯良好的“被动”物理阻隔性能及沸石基咪唑盐骨架-8(ZIF-8,)的pH响应“主动”修复技术的优势,赋予涂层优异的阻隔性能和自修复作用;在ZIF-8固体缓蚀剂中,作为主要缓蚀成分的2-甲基咪唑通过与Zn2+的配位作用被固定在ZIF-8骨架结构中,空间上的隔离,极大地保持了2-甲基咪唑的性质,有效地防止了缓蚀剂过早释放所造成的浪费,只有在特定的酸性环境中,利用ZIF-8的骨架结构中配位键的敏感性,可以将负载的活性缓蚀剂传递到目标位置,并不断地释放更多的缓蚀剂。
发明内容
本发明针对“阻隔-自修复”石墨烯基固体缓蚀剂复合涂料的研究,综合利用还原氧化石墨烯(RGO)优异的物理阻隔性质、不渗透性和ZIF-8分解产物2-甲基咪唑缓蚀剂的自修复功能,提供了RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂料的制备方法,并开拓了固体缓蚀剂ZIF-8在防腐涂层领域的应用,该制备过程通过利用氧化石墨烯(GO)与ZIF-8前驱体离子(Zn2+)之间的静电相互作用,采用溶剂热法将ZIF-8纳米颗粒均匀地锚定在GO的表面,合成ZIF-8的同时在高温的作用下将GO还原为RGO,在一定程度上恢复GO骨架结构的缺陷,增加了GO的物理阻隔性能;然后,在常温条件下,通过简单的水解缩合反应将SiO2纳米容器包覆在ZIF-8纳米颗粒表面;最后,将获得的RGO@ZIF@SiO2杂化材料添加到环氧树脂基体中,成功的制备具有良好阻隔性和pH刺激-响应功能的石墨烯基纳米自修复涂层。
一种具有pH响应功能的RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂料的制备方法,包括以下步骤。
1、基料的制备。
称取环氧树脂、固化剂混合,搅拌至均匀,得到均匀混合的基料。
2、RGO@ZIF@SiO2杂化材料的制备。
RGO@ZIF@SiO2杂化材料的详细制备过程如下。
(1)分别量取一定量的去离子水和甲醇溶液配制成混合溶液,并将其平均分为两份,然后称取一定量的Zn(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑分别溶解于上述两份混合溶液中。
(2)称取一定量的GO超声分散于去离子水中;将配制好的Zn(NO3)2溶液在搅拌(600-1000r/min)的条件下缓慢滴加到GO悬浮液中后继续搅拌30min;然后将2-甲基咪唑溶液快速加入以上溶液,并继续搅拌20min。
(3)获得的浆液转移到聚四氟乙烯高压釜中,并在140℃下进行24h的水热处理;最后,用去离子水反复冲洗、离心(7000-10000r/min,5-8min)沉淀,除去未反应的Zn(NO3)2和2-甲基咪唑,并通过冷冻干燥获得RGO@ZIF杂化材料。
(4)称取0.1g RGO@ZIF杂化材料分散于含有50mL去离子水、50mL甲醇和0.4-0.5g2-甲基咪唑的溶液中;随后向混合溶液中添加0.2-0.3g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)并继续搅拌30min;将量取的1-1.5mL正硅酸乙酯(TEOS)缓慢滴加到上述悬浮液中并剧烈搅拌2h后,分别采用甲醇和去离子水在7000-10000r/min的条件下离心清洗三次,获得的样品冷冻干燥,标记为RGO@ZIF@SiO2。
3、RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层的制备。
将制备好的RGO@ZIF@SiO2杂化物与20g环氧树脂和10g固化剂均匀混合,并采用高压喷涂设备将混合物均匀地涂覆在预处理的金属基材表面,常温下固化7天,获得RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层,干膜厚度约为120±5μm。
进一步地,步骤1中环氧树脂、固化剂质量比为2:1~4:1。
进一步地,步骤2中GO和Zn(NO3)2·6H2O的质量比为1:2~1:3,Zn(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑的质量比为1:8~1:10。
进一步地,步骤2-(1)和(2)中的混合溶液中甲醇/水混合溶剂的总体积为200mL,且甲醇:水=1:1~1:2。
进一步地,步骤2-(4)中的混合溶剂甲醇:水=1:1。
进一步地,步骤3中基料占均匀分散体系总重量的99~99.3%。
本发明提供的一种具有pH响应功能的RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂料,具有以下有益效果。
(1)与纳米容器吸附封装液体缓蚀剂相比,ZIF-8固体缓蚀剂大大地提高了纳米容器的负载率;且该涂层具用pH响应释放功能。
(2)RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂料作为一种集合“被动防护”与“主动修复”于一体的新型涂层,既具有优异的物理阻隔性能,又能在涂层遭受腐蚀或损害后主动保护金属基体,进一步的延长金属的使用寿命。
附图说明
图1为RGO@ZIF@SiO2杂化物的制备示意图。
图2为使用甲醇:水=1:1的混合溶剂合成ZIF-8纳米颗粒形貌。
图3为使用甲醇:水=1:2的混合溶剂合成ZIF-8纳米颗粒形貌。
图4为GO和Zn(NO3)2·6H2O的质量比1:2时合成的RGO@ZIF杂化物的形貌。
图5为GO和Zn(NO3)2·6H2O的质量比1:3时合成的RGO@ZIF杂化物的形貌。
图6为RGO@ZIF@SiO2杂化物的X-射线光电子能谱(XPS)图。
图7为RGO@ZIF@SiO2杂化物在pH=5的3.5%NaCl溶液中浸泡10h前后的TEM图。
图8为RGO@ZIF@SiO2杂化物在酸性(pH=1,3,5)、中性(pH=7)和碱性(pH=9,11)条件下的释放规律图。
图9为0.7%RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层浸泡不同时间的断点频率(fb)图。
图10为纯环氧涂层下方金属基材表面的腐蚀形貌(SEM)图。
图11为0.7%RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层下方金属基材表面的腐蚀形貌(SEM)图。
具体实施方式
实施例1
一种具有pH响应功能的RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂料的制备方法,包括以下步骤。
1、基料的制备。
称取环氧树脂、固化剂混合,搅拌至均匀,得到均匀混合的基料。
2、RGO@ZIF@SiO2杂化材料的制备。
RGO@ZIF@SiO2杂化材料的详细制备过程如下。
(1)分别量取一定量的去离子水和甲醇溶液配制成混合溶液,并将其平均分为两份,然后称取0.35g的Zn(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑分别溶解于上述两份混合溶液中。
(2)称取0.1g的GO超声分散于去离子水中;将配制好的Zn(NO3)2溶液在搅拌(600-1000r/min)的条件下缓慢滴加到GO悬浮液中后继续搅拌30min;然后将2-甲基咪唑溶液快速加入以上溶液,并继续搅拌20min。
(3)获得的浆液转移到聚四氟乙烯高压釜中,并在140℃下进行24h的水热处理;最后,用去离子水反复冲洗、离心(7000-10000r/min,5-8min)沉淀,除去未反应的Zn(NO3)2和2-甲基咪唑,并通过冷冻干燥获得RGO@ZIF杂化材料。
(4)称取0.1g RGO@ZIF杂化材料分散于含有50mL去离子水、50mL甲醇和0.4~0.5g2-甲基咪唑的溶液中;随后向混合溶液中添加0.2~0.3g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)并继续搅拌30min;将量取的1~1.5mL正硅酸乙酯(TEOS)缓慢滴加到上述悬浮液中并剧烈搅拌2h后,分别采用甲醇和去离子水在7000-10000r/min的条件下离心清洗三次,获得的样品冷冻干燥,标记为RGO@ZIF@SiO2,其制备过程如图1所示。
3、RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层的制备。
将制备好的RGO@ZIF@SiO2杂化物与20g环氧树脂和10g固化剂均匀混合,并采用高压喷涂设备将混合物均匀地涂覆在预处理的金属基材表面,常温下固化7天,获得RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层,干膜厚度约为120±5μm。
进一步地,步骤1中环氧树脂和固化剂质量比为2∶1~4∶1。
进一步地,步骤2中GO和Zn(NO3)2·6H2O的质量比为1∶2~1∶3,Zn(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑的质量比为1∶8~1∶10。
进一步地,步骤2-(1)和(2)中的混合溶液中甲醇/水混合溶剂的总体积为200mL,且甲醇∶水=1∶1~1∶2,Zn(NO3)2·6H2O的质量浓度为5mg/mL。
进一步地,步骤2-(4)中的混合溶剂甲醇∶水=1∶1。
进一步地,步骤3中基料占均匀分散体系总重量的99~99.3%。
表1基料、RGO@ZIF@SiO2杂化物配比
样品 | 基料(wt%) | RGO@ZIF@SiO<sub>2</sub>杂化物 |
1 | 99.3 | 0.7 |
2 | 99 | 1.0 |
实验例1
分别将0.7wt.%的RGO@ZIF@SiO2杂化物和环氧树脂混合,超声分散1h,分别制备出0.7%RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂料、1.0%RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂料,然后分别将其移入喷枪中均匀喷涂在已喷砂和焊接的基体钢片(N80)上,涂层的喷涂在基体钢片喷砂处理完成后的1小时内进行,喷涂完成后,带有涂层的钢片在常温下固化7天,得到试样涂层,以纯环氧树脂作为对照。
(1)采用JSM-7500F扫描电子显微镜观察使用不同混合溶剂(甲醇∶水=1∶1和1∶2)合成的ZIF-8纳米颗粒形貌,结果见附图2-3;从图1中可以看出,在甲醇∶水=1∶1的混合溶剂中合成的ZIF-8纳米颗粒具有类十二面体结构,纳米颗粒的尺寸约为100nm;随着含量水的增加(甲醇∶水=1∶2),ZIF-8纳米颗粒的微观形貌逐渐变为尺寸约100nm的球形结构(图2),结果说明在ZIF-8纳米材料的制备过程中,溶剂诱导的有序生长占主导地位;其中,水溶剂的存在更有利于ZIF-8晶胞的横向生长。
(2)采用JSM-7500F扫描电子显微镜观察GO和Zn(NO3)2·6H2O的质量比为1:2和1:3时合成的RGO@ZIF杂化物的形貌,结果见附图4-5;从图中可以清晰的观察到ZIF-8颗粒均匀的分布在皱褶结构的RGO纳米片表面,且随着GO和Zn(NO3)2·6H2O的质量比的增加,RGO纳米片表面负载的ZIF-8颗粒逐渐增加。
(3)采用XPS表征了RGO@ZIF@SiO2杂化材料的表面化学成分以及化学键的组成;从图6(a)中可以清楚的看出,该杂化材料是由C、N、O、Si和Zn五种元素组成,结合能位于1044.2,1021.7,531.6,401.1,284.8和102.8ev的主要峰值分别对应于Zn 2p1/2,Zn 2p3/2,C 1s、N 1s、O 1s和Si 2p;根据RGO@ZIF@SiO2样品的XPS高分辨率C1s光谱(见图6(b))可知,位于287.7eV,286.4eV,285.5eV和284.7eV的特征峰分别隶属于C=O,C=N,C-C/C=C和C-N键;N 1s(见图6(c))在398.7和400.1eV处的能量峰值对应于咪唑环的-NH-和=N-键;此外,由于ZIF-8的生长,能够观察到属于ZIF-8结构中的N-Zn键在397.8eV的特征峰值;从样品的高分辨率O1s谱图(见图6(d))中可以看到,结合能位于533.9,532.7和531.2eV处的三个特征峰,它们分别对应于C-O-C,-OH和O-Zn键;此外,位于533.4eV处出现了Si-O-Si键的特征峰,再次证明了SiO2的合成是成功的;图6(e)为杂化材料的Si 2p谱图,从图中可以看到在结合能为102.1和100.8eV处出现了Si-O-Si和Si-C的特征峰,其中Si-C的存在证明了SiO2不是单独的存在,而是以化学键结合的方式生长在ZIF-8颗粒表面。
(4)采用TEM对RGO@ZIF@SiO2杂化物在pH=5的3.5%NaCl溶液中浸泡10h前后的形貌进行观察,结果如图7所示;从浸泡前的TEM图中(见图7(a)-(a”))可以清楚的观察到明显的两相结构,且明亮相被暗相均匀的包覆。其中明亮相来自于ZIF-8纳米颗粒,其具有类十二面体结构,尺寸约为50~100nm,而暗相主要来自于SiO2;经在酸性环境中浸泡后,可以在图7(b)-(b”)中观察到暗相的SiO2仍然存在,说明SiO2壳具有良好的化学稳定性;不同的是暗相内部类十二面体的明亮相区域透明度明显增加,说明SiO2壳层内部的ZIF-8颗粒中的配位键在酸性条件下发生了破坏,引起了Zn2+以及2-甲基咪唑分子的释放,从而形成了SiO2中空结构。
(5)采用紫外分光光度计对RGO@ZIF@SiO2杂化物在酸性(pH=1,3,5)、中性(pH=7)和碱性(pH=9,11)条件下的释放规律进行测定,结果如图8所示;从图中可以看出RGO@ZIF@SiO2杂化物在酸性条件下能够快速分解释放2-甲基咪唑(10min内),其负载率为63.0%;而在中性和碱性条件下非常稳定,只有少量残留的2-甲基咪唑被检测到。
(6)采用电化学工作站对0.7%RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层浸泡不同时间的断点频率(fb)进行检测,结果如图9所示;一般而言,脱层面积越大,则fb的值越大,说明腐蚀越严重;从图中可以看出,纯环氧涂层样品在浸泡不同时间后的fb值明显大于0.7%RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层,且在浸泡过程中,0.7%RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层在50天后,fb值出现了降低的趋势,这可归因于涂层的自修复作用。
(7)采用SEM对纯环氧和0.7%RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层下方金属基材表面的腐蚀形貌进行观察,结果如图10-11所示;从图9中可以看到,纯环氧涂层下方有大量疏松的腐蚀产物和裂纹聚集在基体表面;而0.7%RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层下方基材表面平整,几乎无腐蚀产物和裂纹,表现出优异的防腐性能。
Claims (3)
1.一种pH响应石墨烯基固体缓蚀剂自修复涂料的制备方法及应用,包括以下步骤:
(1)RGO@ZIF@SiO2杂化材料的制备
分别量取一定量的去离子水和甲醇溶液配制成混合溶液,并将其平均分为两份,然后称取一定量的Zn(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑分别溶解于上述两份混合溶液中;接着称取一定量的GO超声分散于去离子水中;将配制好的Zn(NO3)2溶液在搅拌(600-1000r/min)的条件下缓慢滴加到GO悬浮液中后继续搅拌30min;然后将2-甲基咪唑溶液快速加入以上溶液,并继续搅拌20min获得的浆液转移到聚四氟乙烯高压釜中,并在140℃下进行24h的水热处理;用去离子水反复冲洗、离心(7000-10000r/min,5-8min)沉淀,除去未反应的Zn(NO3)2和2-甲基咪唑,并通过冷冻干燥获得RGO@ZIF杂化材料;最后称取0.1g RGO@ZIF杂化材料分散于含有50mL去离子水、50mL甲醇和0.4-0.5g 2-甲基咪唑的溶液中;随后向混合溶液中添加0.2-0.3g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)并继续搅拌30min;将量取的1-1.5mL正硅酸乙酯(TEOS)缓慢滴加到上述悬浮液中并剧烈搅拌2h后,分别采用甲醇和去离子水在7000-10000r/min的条件下离心清洗三次,获得的样品冷冻干燥,标记为RGO@ZIF@SiO2;
(2)RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层的制备
将制备好的RGO@ZIF@SiO2杂化物与20g环氧树脂和10g固化剂均匀混合,并采用高压喷涂设备将混合物均匀地涂覆在预处理的金属基材表面,常温下固化7天,获得RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层,干膜厚度约为120±5μm。
2.根据权利要求1所述的一种RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂层的制备,其特征在于,步骤(1)中GO和Zn(NO3)2·6H2O的质量比为1:3-1:2,Zn(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑的质量比为1:8-1:10;甲醇/水混合溶剂的总体积为200mL,且甲醇:水=1:1~1:2;步骤(2)中RGO@ZIF@SiO2的质量分数为0.7%-1%。
3.如权利要求1-3任一项所述的方法制备出的RGO@ZIF@SiO2/环氧自修复复合涂料。
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