CN113881265A - 一种纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料及其制备方法,属于石墨烯防腐涂料技术领域。上述防腐涂料由A组分和B组分组成,其中,所述A组分由以下重量份组分组成:高分子聚合物40‑60份;改性石墨烯基填料水溶液3‑9份;纳米氧化物0.4‑1份;去离子水2‑5份;所述B组分由以下重量份组分组成:非离子型自乳化固化剂20‑40份;分散剂2‑5份;消泡剂1‑5份;助溶剂1‑3份。本申请特定大小和含量的纳米氧化物与石墨烯基填料的掺杂,与分散剂协同作用,提高石墨烯分散性,阻隔或增长氧气和水分子在涂层内部的传播路径,达到增强涂层防腐效果的目的。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯防腐涂料技术领域,具体涉及一种纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料及其制备方法。
背景技术
针对单一涂层的失效和稳定性问题,将二维纳米材料分散在聚合物涂层中可为解决这一问题提供方案。研究者们已经将多种二维层状材料添加到聚合物涂层基质中以改变其力学,光学和耐腐蚀性质。也就是说,二维纳米材料的选择取决于涂层所需要的性质。二维层状材料如石墨烯、二硫化钼、氮化硼等,由于它们具有常规材料所不具备的特殊性能而逐渐被人们关注,尤其是在半导体、电催化和防腐等方面。
石墨烯具有优异的电学、力学和热性能,并且其片层之间还具有超强物理屏蔽性质,故石墨烯可以阻止腐蚀介质和腐蚀离子接触到金属表面。若将其应用到防腐涂层中,可以改善涂料的性能,如弹性、耐腐蚀性、耐磨性及耐冲击等。此外,利用石墨烯二维片层在涂层中化学惰性和阻隔性能,石墨烯可以有效地增强防腐涂层的抗渗透性能,并切断水、氧气和相关腐蚀离子的运输与渗透;进而把金属基底与腐蚀介质有效的分离,增长涂层中腐蚀介质的传播路径长度和抑制局部原电池的构成,最终延长了金属基材料的使用寿命。
但事实上,简单地掺杂石墨烯或类石墨烯二维材料并不常见,这是由于二维材料与有机树脂材料的相容性很不好,过量掺杂甚至会产生加速涂层腐蚀的影响。此外,由于二维纳米片层材料具有较高的表面能,这些也会加速片层间相互聚集的倾向,而不同尺寸的材料聚集程度是不一样的。因此,二维纳米材料在涂料应用中的分散性和尺寸效应很关键。石墨烯材料直接添加在涂料中极易发生团聚现象,不但没有发挥其优异的物理阻隔特性,甚至还会导致加速腐蚀现象的发生。
发明内容
为解决现有技术中石墨烯直接添加易团聚,防腐效果变差等问题,本发明提供一种纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料及其制备方法。本发明的石墨烯防腐涂料通过特定的纳米氧化物与石墨烯基填料的协同作用来阻隔或增长氧气和水分子在涂层内部的传播路径,达到增强涂层防腐效果。
为解决上述技术问题,本发明提供技术方案如下:
一方面,本发明提供一种纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料,由A组分和B组分组成,其中,
所述A组分由以下重量份组分组成:
所述B组分由以下重量份组分组成:
所述改性石墨烯基填料水溶液通过以下方法制备而成:
将石墨烯粉末分散在去离子水中,超声10-30min后得到质量浓度为10-20%的石墨烯悬浮液;随即加入石墨烯悬浮液质量1%的聚乙烯醇,并超声搅拌20-30min进行改性,即可得到改性石墨烯基填料水溶液。
优选的,上述纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料,所述A组分由以下重量份组分组成:
所述B组分由以下重量份组分组成:
优选的,所述石墨粉末用量为A组分和B组分总含量的0.02-0.04wt%;所述纳米氧化物的用量为A组分和B组分总含量的0.4-1wt%。
优选的,所述高分子聚合物为聚酰胺、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚三氟氯乙烯、环氧树脂和聚酰亚胺中的一种或多种
优选的,所述纳米氧化物为纳米氧化锌、纳米氧化锆或纳米氧化铝;所述纳米氧化物的粒径为50-500nm。
进一步的,所述石墨烯粉末为石墨烯和/或氧化石墨烯;所述石墨烯粉末片径为100nm-1μm;厚度为2-15nm。
优选的,所述固化剂为水溶性环氧固化剂或双氰胺;所述分散剂为硫酸酯盐,优选为十二烷基硫酸钠和/或月桂醇聚氧乙烯醚硫酸钠;所述消泡剂为丙醇、丁醇或磷酸三丁酯;所述助溶剂为二丙二醇单甲醚。
另一方面,本发明还提供一种上述纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料的制备方法,其特征在于,包括:
步骤1:按比例称取A组分各物质,并在室温条件下以800-1000r/min的速度下搅拌1h进行混合;
步骤2:按比例称取B组分各物质,并在室温条件下以800-1000r/min的速度下搅拌1h进行混合;
步骤3:将步骤1和步骤2的混合溶液进行混合,均匀后可得防腐涂料。
从力学的角度来看,没有铺展开的二维材料就像是刚刚拧紧的一团纸,带有团聚的性质,在高分子聚合物中犹如一块一块的物体,不能很好的分散在高分子聚合物中,并且高分子聚合物在固化后形成三维网状结构,存在交联密度很高,内应力大、质脆、抗疲劳性差等缺陷。当纳米粒子添加后,会在石墨烯表面比较均匀的存在,当外界受到一定的扰动、震动后,这些纳米粒子就会产生一定的向外扩张力,从而可以把石墨烯打开成一个个的小薄片,在高分子聚合物中可以均匀的分散开,起到更好的物理阻隔效应,从而可以更好地提高防腐性能。故纳米粒子颗粒与二维片层材料二者协同增强涂层的耐腐蚀强度。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明确定了石墨烯添加的量的情况,并对石墨烯本身的性能进行了限定,从根本上解决了石墨烯难分散、易团聚等问题;
本发明纳米氧化物在石墨烯与高分子聚合物之间填充,分散石墨烯的分布,填充石墨烯与涂层之间的孔径,使得防腐涂层变得更加致密,复合材料抵抗外界能力增强;特定含量的纳米氧化颗粒与石墨烯基填料的掺杂,协同作用来阻隔或增长氧气和水分子在涂层内部的传播路径,达到增强涂层防腐效果。
同时,B组分各物质与A组分的物质相互作用,提高石墨烯粉体与高分子聚合物的相容性,防止石墨烯的团聚,提高防腐性能。
附图说明
图1为本发明防腐涂料的涂层断面SEM图像;其中,a为Gr0-ZnO0涂层;b为Gr0.04-ZnO0涂层;c为Gr0.04-ZnO0.4涂层;而a1、a2,b1、b2,c1、c2分别是a,b,c的尺寸放大图;
图2为本发明防腐涂层在3.5wt%NaCl溶液中的塔菲尔图像;
图3为本发明防腐涂层在3.5wt%NaCl溶液中浸泡1天后的奈奎斯特图;
图4为本发明防腐涂层在3.5wt%NaCl溶液中浸泡1天后的波特图;
图5为本发明Q235钢片涂覆放图涂层后分别在3.5wt%NaCl水溶液中浸泡一天、一周、两周及一个月的表面变化情况;其中,a为裸Q235钢片;b,c,d,e,f分别为涂有Gr0-ZnO0、Gr0.04-ZnO0、Gr0.02-ZnO0.4、Gr0.04-ZnO0.4和Gr0.06-ZnO0.4涂层的Q235钢片。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明中,所使用的材料及试剂未有特殊说明的,均可从商业途径得到。
本发明还提供一种纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料及其制备方法,具体实施例如下。
实施例1
一种纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料,由A组分和B组分组成,其中,
所述A组分由以下重量份组分组成:
所述B组分由以下重量份组分组成:
所述改性石墨烯基填料水溶液通过以下方法制备而成:
将石墨烯粉末(片径为100nm-1μm;厚度为2-15nm)分散在去离子水中,超声10min后得到质量浓度为0.66%的石墨烯悬浮液;随即加入石墨烯悬浮液质量1%的聚乙烯醇,并超声搅拌20min进行改性,即可得到改性石墨烯基填料水溶液。
上述纳米氧化物增强石墨烯基防腐涂料的制备,包括以下步骤:
先将水性环氧树脂、改性石墨烯水溶液液、纳米氧化锌颗粒和去离子水进行混合,室温条件下以800r/min的速度下搅拌1h,得到A组分;将非离子型自乳化固化剂、分散剂、消泡剂、助溶剂进行混合,室温条件下以800r/min的速度下搅拌1h,得到B组分;将A组分和B组分进行混合均匀,得到所述水性石墨烯防腐涂料,记为Gr0.02-ZnO0.4。
实施例2
改性石墨烯基填料水溶液中石墨烯质量浓度为1.32%,其余条件与实施例1相同,防腐涂料记为Gr0.04-ZnO0.4。
实施例3
改性石墨烯基填料水溶液中石墨烯质量浓度为2%,其余条件与实施例1相同,防腐涂料记为Gr0.06-ZnO0.4。
实施例4
本实施例中氧化锌纳米替换为等量的纳米氧化锆,其余条件与实施例2相同,防腐涂料记为Gr0.06-ZrO0.4。
实施例5
本实施例中氧化锌纳米替换为等量的纳米氧化铝,其余条件与实施例2相同,防腐涂料记为Gr0.06-AlO0.4。
实施例6
一种纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料,由A组分和B组分组成,其中,
所述A组分由以下重量份组分组成:
所述B组分由以下重量份组分组成:
所述改性石墨烯基填料水溶液制备方法同实施例1。
上述纳米氧化物增强石墨烯基防腐涂料的制备方法同实施例1,防腐涂料记为Gr0.06-ZnO1。
实施例7
一种纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料,由A组分和B组分组成,其中,
所述A组分由以下重量份组分组成:
所述B组分由以下重量份组分组成:
所述改性石墨烯基填料水溶液制备方法同实施例1。
上述纳米氧化物增强石墨烯基防腐涂料的制备方法同实施例1,防腐涂料记为Gr0.06-ZnO0.6。
为进一步说明本发明的有益效果,因篇幅有限,仅以实施例2为例构建对比例如下。
对比例1
省略改性石墨烯基填料水溶液和纳米氧化锌,其余条件与实施例2相同,防腐涂料记为Gr0-ZnO0。
对比例2
省略纳米氧化锌,其余条件与实施例2相同,防腐涂料记为Gr0.04-ZnO0。
对比例3
改性石墨烯基填料水溶液中石墨烯质量浓度为3%,其余条件与实施例2相同,防腐涂料记为Gr0.09-ZnO0.04。
对比例4
纳米氧化锌用量为2份,其余条件与实施例2相同,防腐涂料记为Gr0.04-ZnO2。
对比例5
将石墨烯粉末的片径替换为1μm-30μm的石墨烯粉末,厚度为2-15nm,其余条件与实施例2相同。
对比例6
将十二烷基硫酸钠替换为等量的木质素磺酸钠,将月桂醇聚氧乙烯醚硫酸钠替换为等量的聚丙烯酸酯共聚物,其余条件与实施例2相同。
发明人首先对实施例1-3和对比例1-2制备的防腐涂料进行了相关性能检测,将涂料涂覆在Q235钢片上(长宽高为2cm×2cm×0.2cm)。具体方法为:采用喷涂工艺将制备好的涂料喷涂在Q235钢的表面,保证干膜膜厚为(75±10)μm,然后在温度为55℃烘箱中放置半小时,取出放入75℃烘箱中继续干燥半小时,接下来常温干燥7天。测其涂层断面SEM图,结果见图1。
从b1、b2的局部放大图可以看出:由于环氧树脂中局部的石墨烯会发生团聚,导致混合材料薄膜存有孔洞;这主要是前期材料混合制备时,石墨烯由于分散不均发生了团聚,故没有充分展现石墨烯的片层结构,其不能高效率发挥其物理阻隔性能,最终导致Gr0.04-ZnO0复合材料刮膜时出现了微观缺陷,故导致后期防腐涂层出现了致命缺陷。但同时对比Gr0-ZnO0涂层的断面图,Gr0.04-ZnO0却明显比其紧密厚实很多,放大图b1、b2更为明显。这说明石墨烯会穿插在环氧树脂涂层之中,增加涂层厚度,并解决薄膜内部疏松多孔问题。当加入0.4wt%的纳米ZnO颗粒后,从c1、c2放大图可证明Gr0.04-ZnO0.4涂层断面相比Gr0-ZnO0和Gr0.04-ZnO0涂层变得非常致密。这是由于纳米ZnO颗粒的存在,使得改性后的氧化石墨烯没有发生团聚现象,Gr-ZnO在环氧树脂中分散的也比较好,使得Gr0.04-ZnO0.4片层之间致密且多层。分析原因主要有两个方面:材料的纳米效应以及Gr和ZnO优异的分散效果,二者可以增强和环氧树脂的界面结合强度,有利于应力传递。当基体受到外界碰撞时,粒子与基体之间产生微裂纹,使冲击时作用在环氧树脂上的负载通过界面转移到了纳米粒子上,从而吸收更多的碰撞能,显著提高耐腐蚀性和抗撞击强度。
对得到的防腐涂层放入在3.5wt%NaCl溶液,进行塔菲尔曲线检测,结果见图2,且由图2得到塔菲尔图像中,Gr0-ZnO0、Gr0.04-ZnO0、Gr0.02-ZnO0.4、Gr0.04-ZnO0.4和Gr0.06-ZnO0.4五种涂层的腐蚀电位Ecorr、腐蚀电流icorr、缓蚀速率η的值,结果见表1。
表1
Tafel曲线作为是另一种评价涂层防腐性能的方法,主要关注腐蚀电位(Ecorr)和腐蚀电流密度(Icorr)两个参数的变化;一般地,当Ecorr的值越大,Icorr的值越小时,则说明涂层的耐腐蚀强度较好。如图2所以,随着石墨烯含量的加入,Ecorr显着偏移到更正的电位处,Icorr也降低;但超过0.04wt%时,其Ecorr却发生了降低。从图2中可以看到,涂覆Gr0.04-ZnO0.4涂层的腐蚀电位(Ecorr)最高,达到-527.80V;且Gr0-ZnO0的Ecorr远低于Gr0.04-ZnO0,Gr0.02-ZnO0.4,Gr0.04-ZnO0.4和Gr0.06-ZnO0.4电极的Ecorr,其腐蚀电位为-631.36V。而单掺杂石墨烯的Gr0.04-ZnO0比Gr0-ZnO0电极略向正电位偏移,Ecorr为-610.04V,这表明了更难发生电化学腐蚀的现象。但其变化不大的原因可能是因为石墨烯分散的不够彻底,出现少数局部的聚集,导致浸泡过程中电极表面出现裸露。而加入ZnO后的石墨烯/环氧树脂涂层的Ecorr明显比Gr0.04-ZnO0的电位更向正电位方向偏移,这是由于纳米ZnO颗粒会吸附在石墨烯与环氧树脂之间的空隙中,减少了氧气进入涂层内部的机会,同时也增长了腐蚀路径。对于腐蚀电流密度的参数变化情况可以看出(表1),Gr0.04-ZnO0.4涂层不仅比Gr0.04-ZnO0和Gr0.06-ZnO0.04的腐蚀电流密度都低,甚至比单纯Gr0-ZnO0涂层的Icorr更是小两个数量级,其腐蚀电流密度为4.15×10-8μA/cm2。此外,通过公式1计算,其缓蚀速率(η)达到99.56%。
其中,I0 corr和Icorr是未涂覆和已涂覆涂层的腐蚀电流密度值。
图3和图4分别显示了Gr0-ZnO0、Gr0.04-ZnO0、Gr0.02-ZnO0.4、Gr0.04-ZnO0.4和Gr0.06-ZnO0.4涂层浸入3.5wt%NaCl中1天的奈奎斯特图(Nyquist)和波特图(Bode)。采用EIS技术研宄涂层在浸泡过程中的腐蚀行为,Nyquist容抗弧的直径越大,涂层的防护性能越好。如图3所示,对于这五种涂层的奈奎斯特图都只存在一个时间常数,这个时间常数与钢表面形成的钝化膜表面有关。而从图3可以观察到掺有石墨烯和纳米氧化锌颗粒的环氧树脂涂层的Nyquist直径远大于纯环氧树脂涂层的Nyquist直径,而其中Gr0.04-ZnO0.4涂层的阻抗模量超过200530Ωcm2,这意味着Gr0.04-ZnO0.4涂层具有最优的耐腐蚀保护性能。整体来说,Gr0-ZnO0、Gr0.04-ZnO0和Gr0.02-ZnO0.4涂层的半圆直径比纯环氧树脂涂层更大,都具有更好的防腐性能。这可以解释为当Gr和ZnO的纳米材料添加到环氧树脂涂层时,填充了腐蚀介质的扩散通道,从而防止腐蚀性介质聚集在界面处,为涂层提供了更好的阻挡效果。从Bode的Log|Z|图4中可以看出,未经处理的表面在低频下具有最低的|Z|值。对于纯环氧树脂涂层其低频阻抗(|Z|)不超过104Ωcm2,而含有ZnO和Gr材料的涂层Log|Z|均超过104Ωcm2。特别是,Gr0.04-ZnO0.4的Log|Z|大于105Ωcm2,在所有样品中达到最高值。
图5显示了裸Q235钢片、Gr0-ZnO0、Gr0.04-ZnO0、Gr0.02-ZnO0.4、Gr0.04-ZnO0.4和Gr0.06-ZnO0.4涂层的Q235钢片在模拟海水环境中的腐蚀情况评估其耐腐蚀性。分别将裸Q235、Gr0-ZnO0、Gr0.04-ZnO0、Gr0.02-ZnO0.4、Gr0.04-ZnO0.4和Gr0.06-ZnO0.4电极在浸入50ml 3.5wt%NaCl在常温大气压环境下进行加速腐蚀试验,并在每一天、一周、两周及一个月记录一次表面形貌的变化(如图5)。在进行1天的浸泡初期,裸电极表面的变化较为明显出现了钝化膜,并且可以看出涂覆了纯环氧树脂(Gr0-ZnO0)、Gr0.02-ZnO0.4、Gr0.04-ZnO0.4等涂层都对基材具有一定的防腐蚀性。然而经过1周浸泡后,Gr0-ZnO0涂层已经完全脱落了;而Gr0.04-ZnO0的边缘也已出现了水泡,裸露部分出现裂纹和锈斑,并且随着浸泡时间的增加,锈渍逐渐蔓延到中心。甚至在2周后Gr0-ZnO0涂层的下半部分从基质上剥离,这意味着基材失去了保护层从而产生了黄色多孔的Fe2O3腐蚀产物。与裸Q235钢和Gr0-ZnO0相比,当石墨烯与氧化锌纳米粒子协同掺杂时,尤其是Gr0.04-ZnO0.4样品在浸泡1个月后依然表现很稳定,没有出现明显的锈斑及脱落。这种现象与电化学测试结果一致,这归因于Gr-ZnO复合材料在涂层中良好的分散性,二者的协同作用充分发挥出石墨烯片的物理屏障效果;除此之外纳米级的颗粒可以添堵在涂层表面的空隙中,进而把更多的腐蚀介质被堵塞在涂层表面之外,这些特点改善了涂层阻隔性和防腐性能。
对其余实施例4-7和对比例3-6防腐涂料制备的涂层材料在3.5wt%NaCl溶液中进行塔菲尔曲线检测,并对其腐蚀电位、腐蚀电流、缓蚀速率的值进行统计,结果见表2。
表2
由上表可知,本申请实施例制备的防腐涂料具有更高的腐蚀电位、较低的腐蚀电流密度和高的缓蚀速率。
由上述图1-5和表1-2可知,单纯添加石墨烯材料,没有铺展开的二维材料就像是刚刚拧紧的一团纸,带有团聚的性质,在环氧树脂中犹如一块一块的物体,不能很好的分散在环氧树脂中,并且环氧树脂在固化后形成三维网状结构,存在交联密度很高,内应力大、质脆、抗疲劳性差等缺陷。当纳米粒子添加后,会在石墨烯表面比较均匀的存在,当外界受到一定的扰动、震动后,这些纳米粒子就会产生一定的向外扩张力,从而可以把石墨烯打开成一个个的小薄片,在环氧树脂中可以均匀的分散开,起到更好的物理阻隔效应,从而可以更好地提高防腐性能。故纳米粒子颗粒与二维片层材料二者协同增强涂层的耐腐蚀强度。
同时,与对比例3-4相比,调整纳米氧化物或者是石墨烯粉末的添加量,得到的涂料的防腐性能较本申请实施例有所降低,这是由于石墨烯在涂料涂层中有良好的物理阻隔作用,但若石墨烯含量超过一定值,其分散性变差导致加速腐蚀的发生;纳米氧化物颗粒在石墨烯与环氧树脂基聚合物之间填充,含量过高不仅会造成浪费,还会导致纳米氧化物的聚集。
与对比例5相比,石墨烯粉末的片径增大,得到的涂料的防腐性能也降低,这是由于,片径过大,导致石墨烯粉末不能完全铺展开,部分位置依然存在团聚现象,影响腐蚀性能。与对比例6相比,本发明特定的分散剂能够使得石墨烯与树脂之间具有较好的分散效果,提高防腐性能。
综上可知,本申请特定大小和含量的纳米氧化物与石墨烯基填料的掺杂,与分散剂协同作用,提高石墨烯分散性,阻隔或增长氧气和水分子在涂层内部的传播路径,达到增强涂层防腐效果的目的。
以上所述是本发明的优选实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,作出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
3.根据权利要求1或2所述的纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料,其特征在于,所述石墨粉末用量为A组分和B组分总含量的0.02-0.04wt%;所述纳米氧化物的用量为A组分和B组分总含量的0.4-1wt%。
4.根据权利要求3所述的纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料,其特征在于,所述高分子聚合物为聚酰胺、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚三氟氯乙烯、环氧树脂和聚酰亚胺中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料,其特征在于,所述纳米氧化物为纳米氧化锌、纳米氧化锆或纳米氧化铝;所述纳米氧化物的粒径为50-500nm。
6.根据权利要求5所述的纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料,其特征在于,所述石墨烯粉末为石墨烯和/或氧化石墨烯;所述石墨烯粉末片径为100nm-1μm;厚度为2-15nm。
7.根据权利要求6所述的纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料,其特征在于,所述固化剂为水溶性环氧固化剂或双氰胺;所述分散剂为硫酸酯盐;所述消泡剂为丙醇、丁醇或磷酸三丁酯;所述助溶剂为二丙二醇单甲醚。
8.一种权利要求1-7任一所述的纳米氧化物增强石墨烯防腐涂料的制备方法,其特征在于,包括:
步骤1:按比例称取A组分各物质,并在室温条件下以800-1000r/min的速度下搅拌1h进行混合;
步骤2:按比例称取B组分各物质,并在室温条件下以800-1000r/min的速度下搅拌1h进行混合;
步骤3:将步骤1和步骤2的混合溶液进行混合,均匀后可得防腐涂料。
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