CN113698848B - 一种水性纳米片复合涂料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水性纳米片复合涂料，属于水性涂料领域。本发明所述产品的原料组分中以漆酚衍生物作为改性剂，对二维纳米片进行锚定改性，使而二维纳米片在水性环氧树脂中得到有效分散，而改性后的纳米片可在涂料使用时充分发挥“迷宫效应”，起到很好的物理阻隔作用，大大延长了腐蚀性介质进入涂层内部的路径；此外漆酚衍生物含有的邻苯二酚基团可有效钝化保护的金属及合金，使其表面形成致密的氧化膜，从而对金属基底起到有效防护。本发明还公开了所述水性纳米片复合涂料的制备方法及应用。

Description

一种水性纳米片复合涂料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及水性涂料领域，具体涉及一种水性纳米片复合涂料及其制备方法与应用。

背景技术

环氧涂层因其优异的耐腐蚀性、电绝缘性和对金属基材的强附着力而被广泛用于对金属的腐蚀防护，而目前工业上用于金属腐蚀防护的环氧涂料主要是溶剂型环氧涂料。然而，现有技术中的溶剂型环氧树脂涂料含有一定比例的挥发性物质，这对环境和人类健康造成了很大的危害。近年来，随着对人类健康和环境保护的重视，水性环氧涂料引起了广泛关注，并被认为是溶剂型环氧涂料的潜在替代品。然而，尽管水性环氧涂料已经商业化超过40年，但水性环氧涂料不能为金属基底提供长期的保护，特别是在强腐蚀环境中其效果更差，这是因为水性环氧体系中通常在环氧主链或侧链上含有亲水基团或链段，这会加速H₂O、O₂和其他腐蚀性介质的渗透。目前一些研究方案是在水性涂料中加入石墨烯等纳米片能有效延缓腐蚀介质到达金属表面的组分，从而改善上述缺陷，实现高效防腐；但石墨烯等纳米片材料易于团聚，需要对其高效分散，但目前仍缺少针对水性环氧涂料的高效分散技术。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水性纳米片复合涂料，该产品通过漆酚衍生物锚定纳米片的结构组成提高纳米片在水性环氧树脂中的高分散性，从而大大提高其防腐性能。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种水性纳米片复合涂料，包括以下重量份的原料：

0.07～0.08份二维纳米片、0.08～0.12份漆酚衍生物、2～3份去离子水、8～12份水性环氧树脂及3～8份固化剂；所述二维纳米片、漆酚衍生物及去离子水混合后经过超声处理形成纳米片分散液用于制备水性纳米片复合涂料。

本发明所述水性纳米片复合涂料的原料组分中以漆酚衍生物作为改性剂，对二维纳米片进行锚定改性，使而二维纳米片在水性环氧树脂中得到有效分散，而改性后的纳米片可在涂料使用时充分发挥“迷宫效应”，起到很好的物理阻隔作用，大大延长了腐蚀性介质进入涂层内部的路径；此外漆酚衍生物含有的邻苯二酚基团可有效钝化保护的金属及合金，使其表面形成致密的氧化膜，从而对金属基底起到有效防护。

优选地，所述二维纳米片的尺寸为0.5～50μm；

更优选地，所述二维纳米片包括氮化硼、石墨烯、二硫化钨、二硫化钼、硼烯(二维硼)中的至少一种。

所述二维纳米片尺寸适中，性质稳定，当经过漆酚衍生物改性后可有效均匀分散在溶剂及树脂基体中，有效隔绝外来腐蚀介质。

优选地，所述漆酚衍生物的结构如下：

所述漆酚衍生物性质稳定，可有效在去离子水中协助二维纳米片进行剥离分散。

优选地，所述环氧树脂包括双酚A型水性环氧树脂、双酚F型水性环氧树脂中的至少一种；

更优选地，所述环氧树脂为双酚A型WTE-51型高固含量水性环氧树脂。

优选地，所述固化剂为胺类固化剂；

更优选地，所述胺类固化剂包括聚酰胺固化剂、腰果酚胺固化剂中的至少一种；

更优选地，所述固化剂为WH115型聚酰胺固化剂。

本发明的另一目的还在于提供所述水性纳米片复合涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将二维纳米片、漆酚衍生物及去离子水按配比混合后进行超声处理3.5～4.5h，得纳米分散液；

(2)在纳米分散液中加入水性环氧树脂并搅拌混合均匀，加入固化剂继续搅拌，随后进行脱泡处理12～18min，即得所述水性纳米片复合涂料。

本发明所述纳米片复合涂料的制备方法操作步骤简单，可实现工业化大规模生产。

优选地，所述脱泡处理通过脱泡机进行，所述脱泡机的设定转速为1400～1600r/min，真空度为95～96kPa。

本发明的再一目的在于提供所述水性纳米复合涂料在金属防腐中的应用。

本发明所述水性纳米片复合涂料相比传统树脂防腐涂料其防腐性能显著提高，通过漆酚衍生物与二维纳米片材料的协同效果，不会释放挥发性有毒物质，可有效应用于各类金属制品的防腐应用中。

优选地，所述水性纳米片复合涂料在应用时，金属制品的表面一次经过打磨、清洗及干燥处理后，采用线棒涂膜器将水性纳米片复合涂料涂覆在金属制品表面。

更优选地，所述水性纳米片复合涂料涂覆在金属制品表面时湿膜的厚度为65～75μm，固化后的干膜厚度为40～50μm。

在所述厚度下的水性纳米片复合涂料既可实现对金属表面的钝化，使其形成氧化膜；同时也可保障涂料本身的隔绝效果，并且不会影响金属制品的外观及性能。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种水性纳米片复合涂料，该产品的原料组分中以漆酚衍生物作为改性剂，对二维纳米片进行锚定改性，使而二维纳米片在水性环氧树脂中得到有效分散，而改性后的纳米片可在涂料使用时充分发挥“迷宫效应”，起到很好的物理阻隔作用，大大延长了腐蚀性介质进入涂层内部的路径；此外漆酚衍生物含有的邻苯二酚基团可有效钝化保护的金属及合金，使其表面形成致密的氧化膜，从而对金属基底起到有效防护。本发明还提供了所述水性纳米片复合涂料的制备方法及应用。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的水性纳米片复合涂料与纯水性环氧树脂涂料在应用后置于3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后EIS测试图；

图2为本发明实施例2制备的水性纳米片复合涂料与纯水性环氧树脂涂料在应用后置于3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后EIS测试图；

图3为本发明实施例3制备的水性纳米片复合涂料与纯水性环氧树脂涂料在应用后置于3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后EIS测试图；

图4为本发明实施例4制备的水性纳米片复合涂料与纯水性环氧树脂涂料在应用后置于3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后EIS测试图；

图5为本发明实施例5制备的水性纳米片复合涂料与纯水性环氧树脂涂料在应用后置于3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后EIS测试图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。各实施例中使用的漆酚衍生物结构如下所示：

实施例1

本发明所述水性纳米片复合涂料及其制备方法与应用的一种实施例，所述水性纳米片复合涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将75mg尺寸为0.5～50μm的二维纳米片材料氮化硼粉末、0.1g漆酚衍生物分别加入到2.5g去离子水中，超声处理4h后获得氮化硼纳米片分散液；

(2)在纳米片分散液中加入10g WTE-51型水性环氧树脂，并通过机械搅拌使之搅拌均匀；最后加入5Gwh115型聚酰胺固化剂，搅拌5min钟后迅速放入脱泡机内，设置转速为1500r/min，真空度为95.8kPa并脱泡15min，即得所述水性纳米片复合涂料。

本实施例所用金属制品为5cm×5cm×1mm规格的Q235碳钢片，所述碳钢片表面分别经过180目、600目的砂纸打磨除去表面的铁锈跟污渍，然后分别在丙酮和酒精中超声清洗30min并进行干燥处理。

然后采用线棒涂膜器(湿膜厚度约为75um)将制备好的水性纳米复合涂层涂敷在经过处理后的Q235碳钢片表面，固化后涂层干膜厚度约45um。

将涂敷有水性纳米复合涂层的Q235钢片试样在3.5wt％NaCl溶液浸泡15d，采用三电极体系(饱和AgCl电极为参比电极、铂片为辅助电极、涂覆有水性纳米片复合涂层的Q235钢片为工作电极)进行电化学阻抗谱测试，同时采用WTE-51型水性环氧树脂涂料作为对照组进行对照试验，测试结果如图1所示。

从图1可知，纯水性环氧树脂涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后|Z|_f＝0.01Hz为1.33×10⁷Ω·cm²，漆酚衍生物改性的氮化硼纳米片/水性复合涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后|Z|_f＝0.01Hz为7.28×10⁸Ω·cm²，显著提高了涂层的耐腐蚀性能。

此外，为验证本发明所述水性纳米片复合涂料中漆酚衍生物与二维纳米片的协同作用，根据上述制备方法制备不添加二维纳米片的漆酚衍生物改性水性涂层(即上述步骤(1)中不添加二维纳米片材料氮化硼粉末，其余步骤相同)并进行相同测试，所得漆酚衍生物改性水性涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后|Z|_f＝0.01Hz为3.25×10⁸Ω·cm²，说明仅仅依靠漆酚衍生物也可提升涂料产品的耐腐蚀性，但效果远不及本发明所述漆酚衍生物改性的氮化硼纳米片/水性复合涂层。

实施例2

本发明所述水性纳米片复合涂料及其制备方法与应用的一种实施例，本实施例与实施例1的差别仅在于，所述二维纳米片材料为尺寸为0.5～50μm的石墨烯。

对本实施例所得水性纳米片复合涂料进行应用及测试，所述应用及测试方法同实施例1，测试结果如图2所示。

从图2可知，纯水性环氧树脂涂料的涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后|Z|_f＝0.01Hz为1.33×10⁷Ω·cm²，漆酚衍生物改性的氮化硼纳米片/水性复合涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后|Z|_f＝0.01Hz为1.77×10⁸Ω·cm²，显著提高了涂层的耐腐蚀性能。

实施例3

本发明所述水性纳米片复合涂料及其制备方法与应用的一种实施例，本实施例与实施例1的差别仅在于，所述二维纳米片材料为尺寸为0.5～50μm的二硫化钨。

对本实施例所得水性纳米片复合涂料进行应用及测试，所述应用及测试方法同实施例1，测试结果如图3所示。

从图3可知，纯水性环氧树脂涂料的涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后|Z|_f＝0.01Hz为1.33×10⁷Ω·cm²，漆酚衍生物改性的氮化硼纳米片/水性复合涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后|Z|_f＝0.01Hz为7.08×10⁸Ω·cm²，显著提高了涂层的耐腐蚀性能。

实施例4

本发明所述水性纳米片复合涂料及其制备方法与应用的一种实施例，本实施例与实施例1的差别仅在于，所述二维纳米片材料为尺寸为0.5～50μm的二硫化钼。

对本实施例所得水性纳米片复合涂料进行应用及测试，所述应用及测试方法同实施例1，测试结果如图4所示。

从图4可知，纯水性环氧树脂涂料的涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后|Z|_f＝0.01Hz为1.33×10⁷Ω·cm²，漆酚衍生物改性的氮化硼纳米片/水性复合涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡15天后|Z|_f＝0.01Hz为2.99×10⁸Ω·cm²，显著提高了涂层的耐腐蚀性能。

实施例5

本发明所述水性纳米片复合涂料及其制备方法与应用的一种实施例，本实施例与实施例1的差别仅在于，所述二维纳米片材料为尺寸为0.5～50μm的硼烯。

对本实施例所得水性纳米片复合涂料进行应用及测试，所述应用及测试方法同实施例1，测试结果如图5所示。

从图5可知，纯水性环氧树脂涂料的涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡50天后|Z|_f＝0.01Hz为1.33×10⁷Ω·cm²，漆酚衍生物改性的氮化硼纳米片/水性复合涂层在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡50天后|Z|_f＝0.01Hz为9.57×10⁷Ω·cm²，显著提高了涂层的耐腐蚀性能。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种水性纳米片复合涂料，其特征在于，包括以下重量份的原料：

0.07~0.08份二维纳米片、0.08~0.12份漆酚衍生物、2~3份去离子水、8~12份水性环氧树脂及3~8份固化剂；所述二维纳米片、漆酚衍生物及去离子水混合后经过超声处理形成纳米片分散液用于制备水性纳米片复合涂料；

所述二维纳米片包括氮化硼、石墨烯、二硫化钨、二硫化钼、硼烯中的至少一种；

所述漆酚衍生物的结构如下：

。

2.如权利要求1所述水性纳米片复合涂料，其特征在于，所述环氧树脂包括双酚A型水性环氧树脂、双酚F型水性环氧树脂中的至少一种。

3.如权利要求1所述水性纳米片复合涂料，其特征在于，所述固化剂为胺类固化剂。

4.如权利要求3所述水性纳米片复合涂料，其特征在于，所述胺类固化剂包括聚酰胺固化剂、腰果酚胺固化剂中的至少一种。

5.如权利要求1~4任一项所述水性纳米片复合涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将二维纳米片、漆酚衍生物及去离子水按配比混合后进行超声处理3.5~4.5h，得纳米分散液；

（2）在纳米分散液中加入水性环氧树脂并搅拌混合均匀，加入固化剂继续搅拌，随后进行脱泡处理12~18min，即得所述水性纳米片复合涂料。

6.如权利要求5所述所述水性纳米片复合涂料的制备方法，其特征在于，所述脱泡处理通过脱泡机进行，所述脱泡机的设定转速为1400~1600r/min，真空度为95~96kPa。

7.如权利要求1~4任一项所述水性纳米片复合涂料在金属防腐中的应用。

8.如权利要求7所述水性纳米片复合涂料在金属防腐中的应用，其特征在于，所述水性纳米片复合涂料在应用时，金属制品的表面依次经过打磨、清洗及干燥处理后，采用线棒涂膜器将水性纳米片复合涂料涂覆在金属制品表面；所述水性纳米片复合涂料涂覆在金属制品表面时湿膜的厚度为65~75μm，固化后的干膜厚度为40~50μm。

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