CN114262552A - 一种石墨烯基防腐涂层及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯基防腐涂层及其应用。上述石墨烯基防腐涂层由以下组分制备而得：改性石墨烯、烷基苯磺酸盐、磷酸、酚醛树脂、正硅酸四乙酯、添加剂和有机溶剂；所述改性石墨烯采用KH550偶联剂、没食子酸基环氧树脂、四氢呋喃和硼氢化钠制备得到，其重量占比为1%。本发明的石墨烯基防腐涂层，致密性好，增强对金属基底的保护效果，减摩和抗磨性能优异，通过掺入KH550偶联剂和没食子酸基环氧树脂来制作改性石墨烯，解决了石墨烯团聚结块的问题，提高石墨烯的均匀分散性，从而提高涂层的防腐蚀性能，应用在海洋耦合环境下时，可延长钢材的使用寿命和提高钢材耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及防腐技术领域，特别是涉及一种石墨烯基防腐涂层，还涉及所述石墨烯基防腐涂层的应用。
背景技术
钢筋锈蚀会引起钢筋混凝土结构的破坏，影响钢筋混凝土结构应用的安全性，其中，高温潮湿和污染严重的海洋环境导致混凝土内部钢筋腐蚀更为严重。尽管金属腐蚀无法避免，但可基于金属腐蚀的机理，寻求有效的手段对金属加以防护，以此来延缓金属发生腐蚀的速率，降低腐蚀带来的危害。
研究表明，钢筋锈蚀主要由氯化物侵入引发，该过程包括钢筋混凝土毛细管孔隙吸收、钢筋表明钝化膜破坏、形成腐蚀电池。基于以上原理，可采用减缓氯离子与钢筋的接触的措施来防止氯离子腐蚀，如增加钢筋混凝土保护层厚度，但该措施导致成本增加且给施工带来影响。如采用抗腐蚀不锈钢筋来提高钢筋的抗腐蚀性能或采用金属防护来避免钢筋和氯离子接触。不锈钢钢筋不仅具有优良的耐腐蚀性能，还具有高强度、高塑性、优良的高温和低温性能以及良好的疲劳性能，因此，采用金属防护技术是非常可行的方案。
常用的金属防护技术主要有阴极保护、缓蚀剂防护、金属镀层和表面有机涂层等。前面三种防护方法存在使用成本高、污染环境和应用环境受限制等问题。表面有机涂层法是最常用、最有效的金属防护方法，它是通过在金属表面覆盖一层有机保护膜，避免金属与环境中的腐蚀介质直接接触，以此来降低金属发生化学或电化学反应的机率。但传统有机涂层中相当一部分是含有铬酸盐、铅和锌等重金属毒性物质，存在一定的安全隐患和环境污染风险。因此，寻求一种屏蔽性能良好且对环境友好的金属表面涂层，是当前金属防腐蚀领域的研究热点。
发明内容
基于此，有必要针对当下金属防护污染环境、屏蔽性能不佳以及防腐蚀效果差的问题，提供一种石墨烯基防腐涂层及其应用。
一种石墨烯基防腐涂层，所述石墨烯基防腐涂层由以下组分制备而得：改性石墨烯、烷基苯磺酸盐、磷酸、酚醛树脂、正硅酸四乙酯、添加剂和有机溶剂；所述改性石墨烯用KH550偶联剂、没食子酸基环氧树脂、四氢呋喃和硼氢化钠制备得到，其重量占比为1%。
上述石墨烯基防腐涂层，致密性好，可完全隔绝腐蚀性离子，增强了对金属基底的保护效果，减摩和抗磨性能优异，通过掺入KH550偶联剂和没食子酸基环氧树脂来制作改性石墨烯，解决了石墨烯团聚结块的问题，提高石墨烯的均匀分散性，从而提高涂层的防腐蚀性能。
在其中一个实施例中，所述添加剂的组成为聚苯胺、硫酸铝、吡啶和氧化铜；所述有机溶剂为甲苯或正丁醇。
在其中一个实施例中，所述改性石墨烯的制备方法，其操作如下：
S1提供氧化石墨烯；
S2用四氢呋喃溶解所述氧化石墨烯后，加入硼氢化钠，经加热搅拌至无气体溢出，得到混合物A；
S3于所述混合物中加入KH550偶联剂和没食子酸基环氧树脂，加热搅拌后，得到混合物B；
S4对所述混合物B进行提取处理，萃取产物经过滤、干燥后，制得改性石墨烯。
进一步地，所述氧化石墨烯为石墨烯经强氧化剂氧化得到。
在其中一个实施例中，所述没食子酸基环氧树脂是采用没食子酸与环氧氯丙烷合成得到，其加入是在碱性条件下进行。
一种石墨烯基防腐涂层在钢筋钢板防腐保护中的应用。
在其中一个实施例中，所述应用的操作如下：将所述的石墨烯基防腐涂层喷涂在所述钢筋钢板的表面。
一种石墨烯基防腐涂层及在海洋工程中的应用。
在其中一个实施例中，所述应用的操作如下：将所述的石墨烯基防腐涂层掺入到漆料中，后直接喷涂在所述海洋工程的钢材的表面。
在其中一个实施例中，所述应用的操作如下：将所述的石墨烯基防腐涂层掺入到漆料中，后采用化学气相沉积法覆盖在所述海洋工程的钢材的表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明，通过掺入KH550偶联剂和没食子酸基环氧树脂来制作改性石墨烯，提高石墨烯的均匀分散性，从而提高涂层的防腐蚀性能。掺入KH550偶联剂来平衡石墨烯的表面电荷，提高石墨烯的分散性和涂层的附着力，KH550偶联剂的基团与石墨烯表面电荷互相作用，发生了物理吸附乃至化学键合，形成了有机吸附层，从而使石墨烯能稳定地分散在体系中，有效抑制了其上浮或团聚现象。掺入没食子酸基环氧树脂，使得制得的改性石墨烯中存在羧基，基于羧基以减少团聚现象，使得石墨烯能更均匀地分散在涂层中，增强涂层的屏蔽作用。
本发明的石墨烯基防腐涂层，基于纳米材料石墨烯来填补到涂层中，石墨烯基防腐涂层的致密性好，可完全隔绝腐蚀性离子，有力阻隔水和氧气等的通过，增强了石墨烯基防腐涂层对金属基底的保护效果，有效防止金属基底与腐蚀性或氧化性的介质接触。
本发明的石墨烯基防腐涂层，应用时基于缓蚀作用，使得金属基底表面发生纯化或形成具有防护性的膜层以进一步提高耐蚀性能，并且，基于石墨烯优良的机械性能和摩擦性能，使得石墨烯基防腐涂层的减摩和抗磨性能优异。
本发明的石墨烯基防腐涂层，应用在海洋耦合环境下时，可延长钢材的使用寿命和提高钢材耐腐蚀性能。
综上，本发明的石墨烯基防腐涂层，致密性好，可完全隔绝腐蚀性离子，增强了对金属基底的保护效果，减摩和抗磨性能优异，通过掺入KH550偶联剂和没食子酸基环氧树脂来制作改性石墨烯，解决了石墨烯团聚结块的问题，提高石墨烯的均匀分散性，从而提高涂层的防腐蚀性能，应用在海洋耦合环境下时，可延长钢材的使用寿命和提高钢材耐腐蚀性能。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
本实施例提供了一种石墨烯基防腐涂层，石墨烯基防腐涂层具有以下组分：改性石墨烯、烷基苯磺酸盐、磷酸、酚醛树脂、正硅酸四乙酯、添加剂和有机溶剂制作石墨烯基防腐涂层，其中，改性石墨烯的重量占比为1%。添加剂的组成为聚苯胺、硫酸铝、吡啶和氧化铜。有机溶剂为甲苯或正丁醇。
本实施例的石墨烯基防腐涂层，致密性好，可完全隔绝腐蚀性离子，增强了对金属基底的保护效果，减摩和抗磨性能优异。
改性石墨烯采用KH550偶联剂、没食子酸基环氧树脂、四氢呋喃和硼氢化钠制备得到。
本实施例，通过掺入KH550偶联剂和没食子酸基环氧树脂（GEP）来制作改性石墨烯，提高石墨烯的均匀分散性，从而提高涂层的防腐蚀性能。掺入KH550偶联剂来平衡石墨烯的表面电荷，提高石墨烯的分散性和涂层的附着力，KH550偶联剂的基团与石墨烯表面电荷互相作用，发生了物理吸附乃至化学键合，形成了有机吸附层，从而使石墨烯能稳定地分散在体系中，有效抑制了其上浮或团聚现象。掺入没食子酸基环氧树脂，使得制得的改性石墨烯中存在羧基，基于羧基以减少团聚现象，使得石墨烯能更均匀地分散在涂层中，增强涂层的屏蔽作用。
本实施例还提供了改性石墨烯的制备方法，其操作如下：
S1提供氧化石墨烯。
氧化石墨烯为石墨烯经强氧化剂氧化得到。
S2用四氢呋喃溶解氧化石墨烯后，加入硼氢化钠，经加热搅拌至无气体溢出，得到混合物A。
将氧化石墨烯置于烧杯中，用四氢呋喃溶解后将硼氢化钠投入烧杯中，加热至95°C并快速搅拌20min，直至气体停止逸出，得到混合物A。
S3于混合物中加入KH550偶联剂和没食子酸基环氧树脂，加热搅拌后，得到混合物B。
没食子酸基环氧树脂（GEP）的加入在碱性条件下进行。采用没食子酸（GA）与环氧氯丙烷（ECP）合成得到没食子酸基环氧树脂（GEP）。
本实施例，在碱性条件下掺入没食子酸基环氧树脂（GEP），使得石墨烯成分能稳定地分散在有机溶剂中。入没食子酸基环氧树脂，使得制得的改性石墨烯中存在羧基，基于羧基以减少团聚现象，使得石墨烯能更均匀地分散在涂层中，增强涂层的屏蔽作用。
S4对混合物B进行提取处理，萃取产物经过滤、干燥后，制得改性石墨烯。
用乙醚提取混合物B，提取物经滤纸过滤后，将提取物连同滤纸一并置于烘箱中进行干燥，干燥产物即为改性氧化石墨烯。
综上，本实施例的石墨烯基防腐涂层，相较于当下防腐材料，具有如下优点：本实施例的石墨烯基防腐涂层，致密性好，可完全隔绝腐蚀性离子，增强了对金属基底的保护效果，减摩和抗磨性能优异，通过掺入KH550偶联剂和没食子酸基环氧树脂来制作改性石墨烯，解决了石墨烯团聚结块的问题，提高石墨烯的均匀分散性，从而提高涂层的防腐蚀性能，应用在海洋耦合环境下时，可延长钢材的使用寿命和提高钢材耐腐蚀性能。
实施例2
本实施例提供了一种石墨烯基防腐涂层在钢筋钢板防腐保护中的应用。应用的操作如下：
将如实施例1的石墨烯基防腐涂层喷涂在钢筋钢板的表面。石墨烯基防腐涂层喷涂在钢筋钢板的表面，与钢筋钢板上覆盖以一层防护层，使得钢筋钢板与周围环境相对进行隔绝实现屏蔽，从而进行防腐保护以延长使用寿命。
本实施例还提供了一种石墨烯基防腐涂层及在海洋工程中的应用。应用的操作如下：将如实施例1的石墨烯基防腐涂层掺入到漆料中，后直接喷涂在海洋工程的钢材的表面。石墨烯基在漆料中形成网状导电结构，提高漆料的利用率，加强对海洋工程用钢材的阴极保护作用，提高钢材的耐腐蚀性能，从而延长钢材在海洋耦合环境下的使用寿命。在其他实施例中，也可采用将如如实施例1的石墨烯基防腐涂层掺入到漆料中，后采用化学气相沉积法（CVD）覆盖在海洋工程的钢材的表面。
石墨烯基防腐涂层应用于船舶行业中时，可直接进行喷涂，无需中间过渡层，耐盐雾性能可达1800h。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种石墨烯基防腐涂层，其特征在于，所述石墨烯基防腐涂层由以下组分制备而得：改性石墨烯、烷基苯磺酸盐、磷酸、酚醛树脂、正硅酸四乙酯、添加剂和有机溶剂；所述改性石墨烯用KH550偶联剂、没食子酸基环氧树脂、四氢呋喃和硼氢化钠制备得到，其重量占比为1%。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯基防腐涂层，其特征在于，所述添加剂的组成为聚苯胺、硫酸铝、吡啶和氧化铜；所述有机溶剂为甲苯或正丁醇。
3.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯基防腐涂层，其特征在于，所述改性石墨烯的制备方法，其操作如下：
S1提供氧化石墨烯；
S2用四氢呋喃溶解所述氧化石墨烯后，加入硼氢化钠，经加热搅拌至无气体溢出，得到混合物A；
S3于所述混合物中加入KH550偶联剂和没食子酸基环氧树脂，加热搅拌后，得到混合物B；
S4对所述混合物B进行提取处理，萃取产物经过滤、干燥后，制得改性石墨烯。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯基防腐涂层，其特征在于，所述氧化石墨烯为石墨烯经强氧化剂氧化得到。
5.根据权利要求3所述的一种石墨烯基防腐涂层，其特征在于，所述没食子酸基环氧树脂是采用没食子酸与环氧氯丙烷合成得到，其加入是在碱性条件下进行。
6.一种石墨烯基防腐涂层在钢筋钢板防腐保护中的应用。
7.根据权利要求6所述的一种石墨烯基防腐涂层在钢筋钢板防腐保护中的应用，其特征在于，所述应用的操作如下：
将如权利要求1至5中任意一项所述的石墨烯基防腐涂层喷涂在所述钢筋钢板的表面。
8.一种石墨烯基防腐涂层及在海洋工程中的应用。
9.根据权利要求8所述的一种石墨烯基防腐涂层及在海洋工程中的应用，其特征在于，所述应用的操作如下：
将如权利要求1至5中任意一项所述的石墨烯基防腐涂层掺入到漆料中，后直接喷涂在所述海洋工程的钢材的表面。
10.根据权利要求8所述的一种石墨烯基防腐涂层及在海洋工程中的应用，其特征在于，所述应用的操作如下：
将如权利要求1至5中任意一项所述的石墨烯基防腐涂层掺入到漆料中，后采用化学气相沉积法覆盖在所述海洋工程的钢材的表面。
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