CN113265651B - 一种石墨烯增强植酸基钝化剂、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋钢筋混凝土工程阻锈剂领域,更具体地,涉及一种石墨烯增强植酸基钝化剂、制备方法及应用。所述钝化剂为碱性水溶液,以质量分数计,包含:植酸0.1~1.0%,硝酸锌0.1~0.5%,氨基化改性石墨烯0.05%~0.1%。本发明采用改性石墨烯材料与植酸材料复合,通过在石墨烯材料的活性位点进行氨基化改性,增强了石墨烯与植酸杂原子基团间的键合能力,基于螯合剂、纳米功能结构材料及金属基体间的层层自组装反应,构建出具有空间三维结构的石墨烯/植酸复合化学转化膜,实现了钢筋钝化,同时实现了膜层无裂缝和防腐长效性,大幅提高钢筋混凝土结构的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于海洋钢筋混凝土工程阻锈剂领域,更具体地,涉及一种石墨烯增强植酸基钝化剂、制备方法及应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
在高盐度、高湿度的海洋环境中,由氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀,是导致钢筋混凝土材料耐久性劣化和结构失效的主要症结,也已经成为混凝土研究领域的一道世界性难题。针对钢筋锈蚀的普遍存在性,对钢筋锈蚀的防护刻不容缓。关于钢筋锈蚀防护的主要策略是提高混凝土自身的防护能力,还有就是其他之外的辅助措施,两者结合起来使用。主要的防护措施有以下几种:使用环氧涂层钢筋;使用高性能混凝土,添加矿物掺合料和外加剂;适当加大混凝土保护层厚度;电化学保护主要用于工程修复;尽量减少混凝土表观质量缺陷等等。其中,阻锈剂技术作为一种简捷、经济和高效的防腐技术,是抑制混凝土中钢筋锈蚀的非常有效的方法。
目前,基于缓蚀吸附成膜理论的化学转化膜技术是解决混凝土中钢筋腐蚀问题的一个良好途径。化学转化膜技术环境友好、防腐蚀性能优异且不影响钢筋与混凝土之间的粘结力的特点,能够为海工钢筋的腐蚀问题的解决提供一个全新的思路,具有非常重要的工程实际意义和广泛的应用前景。其中,植酸作为金属表面化学转化膜成膜材料在金属腐蚀与防护领域的应用越来越广泛,大量研究结果表明,金属在植酸处理液中通过电化学反应,使金属表面的金属离子与植酸分子发生螯合作用,沉积形成植酸化学转化膜。然而,传统植酸基化学转化膜在制备过程中存在容易开裂、防腐性能差的不足,提高植酸基化学转化膜的抗裂性和密实性是目前首要解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本发明提供一种石墨烯增强植酸基钝化剂,本发明采用氨基化改性石墨烯材料与植酸材料复合,通过在石墨烯材料的活性位点进行氨基化改性,增强了石墨烯与植酸杂原子基团间的键合能力,基于植酸、氨基化改性石墨烯及金属基体间的层层自组装反应,构建出具有空间三维结构的石墨烯/植酸复合化学转化膜,实现了钢筋钝化,同时实现了膜层无裂缝和防腐长效性,大幅提高钢筋混凝土结构的使用寿命。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明第一方面提供一种石墨烯增强植酸基钝化剂,所述钝化剂为碱性水溶液,以质量分数计,包含:植酸0.1~1.0%,硝酸锌0.1~0.5%,氨基化改性石墨烯0.05%~0.1%。
本发明第二方面提供一种石墨烯增强植酸基钝化剂的制备方法,包括以下步骤:将植酸溶入去离子水中,再加入硝酸锌,搅拌均匀,待植酸基硝酸锌完全溶解;然后将溶液调节至碱性后,加入氨基化改性石墨烯,采用超声振荡搅拌,使石墨烯均匀悬浮于溶液中。
本发明第三方面提供一种石墨烯增强植酸基钝化剂的使用方法:直接将表面除油打磨干净的钢筋浸泡于钝化剂中,静置十分钟后取出,用蒸馏水冲洗干净,并迅速吹干即可。
本发明第四方面提供一种石墨烯增强植酸基钝化剂在建筑、水利、冶金领域中的应用。
本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果:
(1)本发明的钝化剂可以使金属表面形成一层具有防腐功能的化学转化膜,提高了钢筋在使用过程中的防腐能力。改性石墨烯的加入,解决了传统植酸基化学转化膜在制备过程中容易开裂、防腐性能差的问题,大幅提高化学转化膜的抗裂性和密实性。
(2)本发明的钝化剂具有成膜速度快、化学稳定性好、转化膜不易破裂的优点,经该钝化剂处理的钢筋在混凝土中使用时,不影响钢筋在混凝土碱性孔溶液中钝化膜的形成,并且化学转化膜和在混凝土中形成的钝化膜可以完美的结合在一起,大幅提升了钢筋的抗氯离子侵蚀能力。
(3)本发明的钝化剂成膜物质的原料是从植物种子中提取的天然的绿色无污染的物质,对环境友好,可以长期广泛的应用在海洋混凝土工程领域。
(4)本发明的钝化剂制备工艺简单,生产耗时小,对生产条件要求较低,从而提高了生产效率,经济效益。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的,传统植酸基化学转化膜在制备过程中容易开裂、防腐性能差,为了解决该技术问题,本发明第一方面提供一种石墨烯增强植酸基钝化剂,所述钝化剂为碱性水溶液,以质量分数计,包含:植酸0.1~1.0%,硝酸锌0.1~0.5%,氨基化改性石墨烯0.05%~0.1%。
其中,本发明的钝化剂可以使金属表面形成一层具有防腐功能的化学转化膜,将氨基改性的石墨烯加入到植酸基钝化剂的体系内,能够提升化学转化膜的机械性能,增加膜的强度和韧性。植酸或者植酸盐本身是一种强螯合剂,石墨烯为纳米功能结构材料,植酸或植酸盐在溶液里解离出植酸根,植酸根带有6个磷酸酯基团,对大多数金属都有很好的螯合作用,容易在金属表面吸附成膜,但是这层膜是有机膜和金属基体之间的线膨胀系数不同,容易开裂剥落,通过片状的石墨烯掺杂,可以增强膜的机械强度,大幅提高其抗裂性。整个成膜的过程,是利用了植酸螯合剂---石墨烯---金属基体之间的自组装反应完成的。
石墨烯能够参与膜的形成需要石墨烯表面具有足够的活性位点,通常的石墨烯表面的活性位点数量较少,极性较差、亲水性相对较弱,通过氨基化改性,可以使石墨烯表面的活性位点数量大幅增加,有利于石墨烯更好的结合到转化膜中,从而可以提高转化膜的机械性能(强度、抗裂性等),降低植酸基化学转化膜在制备过程中容易出现开裂的可能。
硝酸锌的作用则是:在植酸根吸附于金属基体表面时,锌离子和基体表面附近的亚铁离子一起起到“桥连作用”,可以使三维空间中的植酸根两两、三三连在一起,可以帮助植酸在金属基体表面成膜,促使钝化膜完整覆盖,有利于成形后的转化膜的稳定性。
本发明所提供的石墨烯增强植酸基钝化剂具有成膜速度快、化学稳定性好、转化膜不易破裂的优点,经该钝化剂处理的钢筋在混凝土中使用时,不影响钢筋在混凝土碱性孔溶液中钝化膜的形成,并且化学转化膜和在混凝土中形成的钝化膜可以完美的结合在一起,大幅提升了钢筋的抗氯离子侵蚀能力。
进一步的,所述钝化剂包含:植酸0.2~0.8%,硝酸锌0.1~0.3%,氨基化改性石墨烯0.06%~0.08%。
所述钝化剂设置为碱性水溶液的目的是为了使制备的植酸化学转化膜能够在碱性条件下形成,进而保证其本身也是一个碱性的膜层,这有利于转化膜应用于碱性的混凝土中可以具有更好的化学稳定性。作为优选的实施方式,所述钝化剂的pH值为10-13。
在本发明的一个或多个实施方式中,氨基化改性石墨烯的制备方法为:将石墨烯溶解于硝酸铵溶液中,并放置于高压反应釜中进行水热反应,反应结束后自然冷却,过滤并烘干。
进一步的,硝酸铵溶液的浓度为0.5-0.6mol/L;
水热反应的温度和时间能够对改性石墨烯的形貌和表面官能团产生重要影响,温度过高或过低,时间过长或过短都可能会造成石墨烯片的团聚、变形、破裂等消极现象,因此,作为优选的实施方式,水热反应温度为100-110℃,进一步优选为105℃,反应时间2-2.5h;
烘干过程能够实现干燥产物的效果即可,优选的,烘干过程在40-50℃的真空干燥箱中进行。
本发明第二方面提供一种石墨烯增强植酸基钝化剂的制备方法,包括以下步骤:将植酸溶入去离子水中,再加入硝酸锌,搅拌均匀,待植酸基硝酸锌完全溶解;然后将溶液调节至碱性后,加入氨基化改性石墨烯,采用超声振荡搅拌,使石墨烯均匀悬浮于溶液中。
进一步的,采用氢氧化钠、氢氧化钾或氨水调节pH;
进一步的,将溶液调节至pH为10-12。
本发明第三方面提供一种石墨烯增强植酸基钝化剂的使用方法:直接将表面除油打磨干净的钢筋浸泡钝化剂中,静置十分钟后取出,用蒸馏水冲洗干净,并采用电吹风迅速吹干即可。
本发明第四方面提供一种石墨烯增强植酸基钝化剂在建筑、水利、冶金领域中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案,以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
按质量份计,将0.3份植酸溶入60份去离子水中,再加入0.3份的硝酸锌,搅拌均匀,待植酸基硝酸锌完全溶解;然后再缓慢加入氢氧化钠,边加入边搅拌,观察溶液的变化,当溶液由浑浊变澄清时,测PH约为10-12;最后加入0.06份的改性石墨烯,采用超声振荡搅拌,使石墨烯均匀悬浮于溶液中,即得到一种石墨烯增强植酸基钝化剂。
直接将表面除油打磨干净的10份钢筋试样浸泡钝化剂中,静置十分钟后取出,用蒸馏水冲洗干净,并采用电吹风迅速吹干即可。
将5份钢筋试样在空气中静置七天,观察试样的变化;另外5份钢筋试样在内掺0.1wt%NaCl的砂浆中放置30天,取出后观察试样的变化。
实施例2
按质量份计,将0.6份植酸溶入60份去离子水中,再加入0.3份的硝酸锌,搅拌均匀,待植酸基硝酸锌完全溶解;然后再缓慢加入氢氧化钠,边加入边搅拌,观察溶液的变化,当溶液由浑浊变澄清时,测PH约为10-12;最后加入0.08份的改性石墨烯,采用超声振荡搅拌,使石墨烯均匀悬浮于溶液中,即得到一种石墨烯增强植酸基钝化剂。
直接将表面除油打磨干净的10份钢筋试样浸泡钝化剂中,静置十分钟后取出,用蒸馏水冲洗干净,并采用电吹风迅速吹干即可。
将5份钢筋试样在空气中静置七天,观察试样的变化;另外5份钢筋试样在内掺0.1wt%NaCl的砂浆中放置30天,取出后观察试样的变化。
实施例3
按质量份计,将0.2份植酸溶入100份去离子水中,再加入0.3份的硝酸锌,搅拌均匀,待植酸基硝酸锌完全溶解;然后再缓慢加入氢氧化钠,边加入边搅拌,观察溶液的变化,当溶液由浑浊变澄清时,测PH约为10-12;最后加入0.08份的改性石墨烯,采用超声振荡搅拌,使石墨烯均匀悬浮于溶液中,即得到一种石墨烯增强植酸基钝化剂。
直接将表面除油打磨干净的10份钢筋试样浸泡钝化剂中,静置十分钟后取出,用蒸馏水冲洗干净,并采用电吹风迅速吹干即可。
将5份钢筋试样在空气中静置七天,观察试样的变化;另外5份钢筋试样在内掺0.1wt%NaCl的砂浆中放置30天,取出后观察试样的变化。
实施例4
按质量份计,将0.8份植酸溶入100份去离子水中,再加入0.3份的硝酸锌,搅拌均匀,待植酸基硝酸锌完全溶解;然后再缓慢加入氢氧化钠,边加入边搅拌,观察溶液的变化,当溶液由浑浊变澄清时,测PH约为10-12;最后加入0.06份的改性石墨烯,采用超声振荡搅拌,使石墨烯均匀悬浮于溶液中,即得到一种石墨烯增强植酸基钝化剂。
直接将表面除油打磨干净的10份钢筋试样浸泡钝化剂中,静置十分钟后取出,用蒸馏水冲洗干净,并采用电吹风迅速吹干即可。
将5份钢筋试样在空气中静置七天,观察试样的变化;另外5份钢筋试样在内掺0.1wt%NaCl的砂浆中放置30天,取出后观察试样的变化。
对比例1
将表面除油打磨干净的5份钢筋试样放置于空气中,观察试样变化。
对比例2
讲表面除油打磨干净的5份钢筋试样在内掺0.1wt%NaCl的砂浆中放置30天,取出后观察试样变化。
实验结果与数据分析:
表1防腐蚀效果测试数据
由表1可知,本发明所提供的石墨烯增强植酸基钝化剂趋势能够保证钢筋在空气中或内掺0.1wt%NaCl的砂浆中长时间不被腐蚀,这主要是因为本发明所提供的钝化剂可以使金属表面形成一层具有防腐功能的化学转化膜,将氨基改性的石墨烯加入到植酸基钝化剂的体系内,能够提升化学转化膜的机械性能,增加膜的强度和韧性,进而降低植酸基化学转化膜在制备过程中容易出现开裂的可能,提高化学转化膜的抗裂性和密实性,使该化学转化膜能够长效发挥防腐作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。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 (9)
1.一种石墨烯增强植酸基钝化剂,其特征在于:所述钝化剂为碱性水溶液,以质量分数计,包含:植酸0.1~1.0%,硝酸锌0.1~0.5%,氨基化改性石墨烯0.05%~0.1%;
所述石墨烯增强植酸基钝化剂的制备方法,包括以下步骤:
将植酸溶入去离子水中,再加入硝酸锌,搅拌均匀,待植酸基硝酸锌完全溶解;然后采用氢氧化钠、氢氧化钾或氨水调节溶液的pH值,使溶液的pH值为10-12,之后加入氨基化改性石墨烯,采用超声振荡搅拌,使石墨烯均匀悬浮于溶液中。
2.如权利要求1所述的钝化剂,其特征在于:所述钝化剂包含:植酸0.2~0.8%,硝酸锌0.1~0.3%,氨基化改性石墨烯0.06%~0.08%。
3.如权利要求1所述的钝化剂,其特征在于:所述氨基化改性石墨烯的制备方法为:将石墨烯溶解于硝酸铵溶液中,并放置于高压反应釜中进行水热反应,反应结束后自然冷却,过滤并烘干。
4.如权利要求3所述的钝化剂,其特征在于:硝酸铵溶液的浓度为0.5-0.6 mol/L。
5.如权利要求3所述的钝化剂,其特征在于:水热反应温度为100-110℃,反应时间2-2.5h。
6.如权利要求5所述的钝化剂,其特征在于:水热反应温度为105℃。
7.如权利要求3所述的钝化剂,其特征在于:烘干过程在40-50℃的真空干燥箱中进行。
8.权利要求1-7任一项所述的石墨烯增强植酸基钝化剂的使用方法,其特征在于:直接将表面除油打磨干净的钢筋浸泡钝化剂中,静置十分钟后取出,用蒸馏水冲洗干净,并采用电吹风迅速吹干即可。
9.权利要求1-7任一项所述的石墨烯增强植酸基钝化剂在建筑、水利、冶金领域中的应用。
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