CN114479542A - 一种防腐防静电水性氟碳涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种防腐防静电水性氟碳涂料及其制备方法和应用，涉及涂料技术领域。本发明提供的防腐防静电水性氟碳涂料，按重量份数计，组分如下：水性氟碳乳液40～60份；聚苯胺粉体10～20份；MXene水溶液20～30份；所述MXene水溶液的固含量为2～10mg/mL；润湿分散剂1～3份；消泡剂0.1～0.5份；增稠剂0.5～1份；水10～20份。本发明提供的涂料为水性涂料，不含挥发性有机溶剂；本发明采用导电聚合物聚苯胺以及MXene作为导电填料，避免了金属锌的使用，具有较好的经济效益和社会效益。另外，本发明提供的涂料具有优异的防腐防静电效果。

Description

一种防腐防静电水性氟碳涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，具体涉及一种防腐防静电水性氟碳涂料及其制备方法和应用。
背景技术
防腐防静电涂层在国民经济、安全等领域发挥的作用越来越重要，因此研发高性能、低成本、无污染的防腐防静电涂层也越来越得到人们的重视。类石墨烯的二维过渡金属碳氮化合物材料-MXene，具有较石墨烯更好的导电性能，完全可以成为石墨烯在导电或防静电涂层领域的高效替代填料。
中国专利CN108384448A将片状纳米金属与片状纳米MXene混合引入多种常用树脂中，如丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯、聚乙烯醇等，得到复合纳米防腐涂料，模仿贝壳结构制备了一种网状复合纳米防腐涂层。但是该方案中复合纳米防腐涂料为溶剂型涂料，溶剂型涂料含有大量挥发性有机溶剂，有机溶剂很容易在涂料使用过程中挥发，从而对人体及环境造成恶劣影响；而且上述涂料中使用大量锌金属做导电填料，基于锌资源日益短缺的现状，难以满足环保要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防腐防静电水性氟碳涂料及其制备方法和应用，本发明提供的涂料为水性涂料，不含挥发性有机溶剂；本发明采用导电聚合物聚苯胺以及MXene作为导电填料，避免了金属锌的使用，具有较好的经济效益和社会效益。另外，本发明提供的涂料具有优异的防腐防静电效果。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种防腐防静电水性氟碳涂料，按重量份数计，组分如下：
Figure BDA0002773835360000011
Figure BDA0002773835360000021
优选地，所述水性氟碳乳液中氟的质量含量为8％。
优选地，所述聚苯胺粉体的平均粒径为20～30μm。
优选地，所述MXene水溶液中MXene为Ti3C2Tx。
优选地，所述润湿分散剂包括十二烷基苯磺酸钠、BYK-151、BYK-154、BYK-155、DISPERBYK-181、DISPERBYK-187或DISPERBYK-190。
优选地，所述消泡剂为有机硅类消泡剂。
优选地，所述增稠剂包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种或几种。
本发明提供了上述技术方案所述防腐防静电水性氟碳涂料的制备方法，包括以下步骤：
将聚苯胺粉体、润湿分散剂和水进行球磨，得到聚苯胺填料液；
将所述聚苯胺填料液、水性氟碳乳液和MXene水溶液混合，得到分散液；
将所述分散液、消泡剂和增稠剂混合，得到防腐防静电水性氟碳涂料。
优选地，所述球磨的转速为500～600r/min，所述球磨的时间为40～60min。
本发明提供了上述技术方案所述防腐防静电水性氟碳涂料或上述技术方案所述制备方法制备得到的防腐防静电水性氟碳涂料在摩擦纳米发电机中的应用。
本发明提供了一种防腐防静电水性氟碳涂料，按重量份数计，组分如下：水性氟碳乳液40～60份；聚苯胺粉体10～20份；MXene水溶液20～30份；所述MXene水溶液的固含量为2～10mg/mL；润湿分散剂1～3份；消泡剂0.1～0.5份；增稠剂0.5～1份；水10～20份。在本发明中，水性氟碳乳液作为涂料基体主要起到防腐的作用；聚苯胺粉体和MXene水溶液作为导电填料添加，MXene表面具有良好的亲水性，能够在水性氟碳涂层中充分分散，简化涂层工艺；导电聚合物聚苯胺具有优良的防腐导电性能，相比于现有技术，本发明使用聚苯胺作为涂层的导电填料，能够有效避免锌资源的浪费；同时，水性氟碳乳液中氟元素具有较大的电负性，容易在摩擦过程中得电子，而聚苯胺作为摩擦电序列中摩擦电性较正的聚合物，容易摩擦带正电，因此，将聚苯胺引入氟碳乳液涂层中可以起到中和摩擦电性的作用，从而在摩擦电性角度达到防静电的效果。本发明限定各组分的用量在上述范围，能够保证涂料的施工性，提高涂料的防腐防静电效果。本发明提供的防腐防静电水性氟碳涂料可有效应用于我国电子设备、军用设备、石油工业、建筑业等领域。例如储油罐(特别是航空煤油)内壁，油田、化工、交通、航空等行业的各种管道、贮罐及金属构件的防腐、防静电，除尘设备的防静电防腐防护，油管油库、焦气罐体、静电除尘等设备设施防腐防静电，空气净化器设备防腐防静电以及飞机设备与外壳防腐防静电等。
本发明提供的涂料为水性涂料，完全为水性体系，不含挥发性有机溶剂，制备方法简单方便、环保、适合大规模生产；本发明中的聚苯胺粉体与MXene构成三维结构的导电网络，有效提高了涂料的机械与导电性能。
本发明还提供了防腐防静电水性氟碳涂料的制备方法，本发明使用MXene水溶液直接与水性氟碳乳液混合，减少了MXene粉体在涂层制备过程中进行研磨重分散的步骤，最大程度地确保二维MXene纳米片在涂层中的充分分散性，同时制备出了一种环保、无毒、无污染的防腐防静电水性氟碳涂料。
附图说明
图1为实施例1的防静电试验结果图；
图2为实施例3的防静电试验结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种防腐防静电水性氟碳涂料，按重量份数计，组分如下：
Figure BDA0002773835360000031
Figure BDA0002773835360000041
在本发明中，若没有特殊说明，采用的组分均为本领域技术人员所熟知的市售商品。
按重量份数计，本发明提供的防腐防静电水性氟碳涂料包括水性氟碳乳液40～60份，优选为50～55份。在本发明中，所述水性氟碳乳液作为涂料基体起到防腐的作用。在本发明中，所述水性氟碳乳液中氟的质量含量优选为8％；所述水性氟碳乳液的固含量优选为46％。
以所述水性氟碳乳液的重量份数为基准，所述防腐防静电水性氟碳涂料包括聚苯胺粉体10～20份，优选为12～15份。在本发明中，所述聚苯胺粉体具有优良的防腐导电性能，将聚苯胺引入氟碳乳液涂层中可以起到中和摩擦电性的作用，从而达到防静电的效果。
在本发明中，所述聚苯胺粉体的平均粒径优选为20～30μm，更优选为20μm。
在本发明的具体实施例中，所述聚苯胺粉体的制备方法包括以下步骤：将苯胺和第一高氯酸溶液进行第一混合，得到第一混合液；将过硫酸铵和第二高氯酸溶液进行第二混合，得到第二混合液；将所述第二混合液滴加至所述第一混合液中，进行聚合反应，得到反应产物；将所述反应产物依次进行水洗和酸化，得到聚苯胺粉体。
在本发明中，所述第一高氯酸溶液和第二高氯酸溶液的浓度优选为1mol/L；所述苯胺和第一高氯酸溶液的体积比优选为0.91：980；所述第一混合的温度优选为0℃。在本发明中，所述过硫酸铵和第二高氯酸溶液的用量比优选为1.5295g：20mL；所述第二混合的温度优选为0℃。在本发明中，所述滴加的速度优选为5s/d。在本发明中，所述聚合反应的温度优选为0℃，所述聚合反应的时间优选为24h，从第二混合液完全滴加完毕开始计时。在本发明中，所述水洗优选采用去离子水洗；所述酸化优选采用盐酸酸化，所述盐酸的浓度优选为1mol/L；所述酸化的时间优选为5min。本发明优选在酸化后，将所得体系依次进行过滤和烘干，得到聚苯胺粉体。
以所述水性氟碳乳液的重量份数为基准，所述防腐防静电水性氟碳涂料包括MXene水溶液20～30份，优选为24～26份。在本发明中，所述MXene水溶液的固含量为2～10mg/mL，优选为5～8mg/mL。在本发明中，MXene具有显著的金属导电性，导电能力较石墨烯材料更为优异，而且MXene表面具有大量亲水基团OH-，赋予了MXene良好的亲水性以及分散性，可以使MXene在水性涂料中均匀分布，进而得到导电性能优异的水性氟碳涂料。
在本发明中，所述MXene水溶液中MXene优选为Ti3C2Tx，其中，T为表面基团，具体优选为O2-、OH-或F-。在本发明的具体实施例中，所述Ti3C2Tx的制备方法包括以下步骤：将LiF和盐酸溶液混合，得到刻蚀液；将Ti3AlC2和所述刻蚀液混合，进行刻蚀，得到悬浮液；将所述悬浮液进行水洗，得到固体产物；将所述固体产物依次进行超声处理和离心，得到Ti3C2Tx。在本发明中，所述盐酸溶液的浓度优选为9mol/L；所述LiF和盐酸溶液的用量比优选为1g:20mL。在本发明中，所述刻蚀的温度优选为35℃，所述刻蚀的时间优选为24h。在本发明中，所述水洗优选采用去离子水洗，本发明对所述水洗的次数没有特殊要求，直至洗涤滤液的pH值大于5结束水洗。在本发明中，所述超声处理的功率优选为300W，所述超声处理的时间优选为1h；所述离心的转速优选为3500rpm，所述离心的时间优选为1h。
以所述水性氟碳乳液的重量份数为基准，所述防腐防静电水性氟碳涂料包括润湿分散剂1～3份，优选为1～2份。在本发明中，所述润湿分散剂优选包括十二烷基苯磺酸钠、BYK-151、BYK-154、BYK-155、DISPERBYK-181、DISPERBYK-187或DISPERBYK-190。
以所述水性氟碳乳液的重量份数为基准，所述防腐防静电水性氟碳涂料包括消泡剂0.1～0.5份，优选为0.2～0.3份。在本发明中，所述消泡剂优选为有机硅类消泡剂，具体优选为BYK-020、BYK-024、BYK-025、BYK-028、BYK-044、BYK-093或BYK-094。
以所述水性氟碳乳液的重量份数为基准，所述防腐防静电水性氟碳涂料包括增稠剂0.5～1份，优选为6～8份。在本发明中，所述增稠剂优选包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种或几种，更优选为羟丙基甲基纤维素。
以所述水性氟碳乳液的重量份数为基准，所述防腐防静电水性氟碳涂料包括水10～20份，优选为12～15份。在本发明中，所述水优选为去离子水。
本发明还提供了上述技术方案所述防腐防静电水性氟碳涂料的制备方法，包括以下步骤：
将聚苯胺粉体、润湿分散剂和水进行球磨，得到聚苯胺填料液；
将所述聚苯胺填料液、水性氟碳乳液和MXene水溶液混合，得到分散液；
将所述分散液、消泡剂和增稠剂混合，得到防腐防静电水性氟碳涂料。
本发明将聚苯胺粉体、润湿分散剂和水进行球磨，得到聚苯胺填料液。在本发明中，所述球磨的转速优选为500～600r/min，所述球磨的时间优选为40～60min。在本发明中，所述球磨过程中采用的磨球优选为玛瑙球，球料比优选为15：1。本发明采用球磨工艺能够获得粒径更细更均匀的聚苯胺填料液。
得到聚苯胺填料液后，本发明将所述聚苯胺填料液、水性氟碳乳液和MXene水溶液混合，得到分散液。在本发明中，所述聚苯胺填料液、水性氟碳乳液和MXene水溶液混合的方法优选包括：在水性氟碳乳液中依次加入聚苯胺填料液和MXene水溶液。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行，所述搅拌的速率优选为300～500r/min，更优选为400～500r/min；所述搅拌的时间优选为10～12h，更优选为10h。
得到分散液后，本发明将所述分散液、消泡剂和增稠剂混合，得到防腐防静电水性氟碳涂料。在本发明中，所述分散液、消泡剂和增稠剂混合的方法优选包括：在所述分散液中依次加入消泡剂和增稠剂。本发明对所述混合的具体工艺参数没有特殊要求，以各组分混合均匀为宜。
本发明提供的制备方法简单方便、环保，适宜工业化生产。
本发明还提供了上述技术方案所述防腐防静电水性氟碳涂料或上述技术方案所述制备方法制备得到的防腐防静电水性氟碳涂料在摩擦纳米发电机中的应用。在本发明中，所述应用的方法优选包括：将所述防腐防静电水性氟碳涂料喷涂在铝板上，由铝板背部引出铜导线，作为摩擦纳米发电机的一个摩擦电极；将尼龙溶液旋涂在铜胶带上，引出导线，作为摩擦纳米发电机的另一个摩擦电极；两个摩擦电极组合成摩擦纳米发电机。在本发明中，所述铝板的尺寸优选为4cm×4cm，所述铝板优选经100目砂纸打磨后再使用；所述防腐防静电水性氟碳涂料的喷涂量优选为5～10g，更优选为10g。在本发明中，所述尼龙溶液优选为尼龙11溶液，所述尼龙溶液的浓度优选为质量分数为25％；所述铜胶带的尺寸优选为4cm×4cm；所述尼龙溶液的旋涂量优选为1～4mL，更优选为2mL。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
实施例1
将100g平均粒径为20μm的聚苯胺粉体、10g润湿分散剂BYK-151和100g去离子水加入球磨机中，磨球为玛瑙球，球料比为15：1，以500r/min的速率球磨40min，得到均匀的聚苯胺填料液；
在400g氟含量为8％的水性氟碳乳液中依次加入所述聚苯胺填料液和200g固含量为5mg/mL的MXene水溶液，以400r/min的速率搅拌10h，得到均一的分散液；
向所述分散液中依次加入3g消泡剂BYK-020和50g增稠剂羟丙基甲基纤维素，继续充分搅拌，得到防腐防静电水性氟碳涂料。
采用摩擦纳米发电机检测法进行防静电测试：
将6g本实施例制备的防腐防静电水性氟碳涂料喷涂至4cm×4cm大小的平面铝板上，铝板提前经100目砂纸打磨，然后由铝板背部引出铜导线，作为摩擦纳米发电机的一个摩擦电极；将2mL浓度为25％的尼龙11溶液旋涂在尺寸为4cm×4cm大小的铜胶带上，引出导线，作为摩擦纳米发电机的另一个摩擦电极；两个摩擦电极组合成摩擦纳米发电机；
所述摩擦纳米发电机的电信号检测方法为：将两个摩擦电极分别贴在电动马达和屏蔽箱上，对齐后，驱动马达使两个摩擦电极做“接触-分离”运动，电信号通过采集卡被收集并在电脑上显示。
本实施例的防静电试验结果如图1所示，由图1可以看出，相比于纯水性氟碳涂料(本发明采用的原料水性氟碳乳液)，采用本实施例制备的防腐防静电水性氟碳涂料使摩擦纳米发电机的输出电流从2μA减小到0.2μA，输出电流减小至原来的1/10，说明本发明提供的防腐防静电水性氟碳涂料能够显著降低水性氟碳乳液的摩擦电荷的产生，从而起到防静电的效果。
实施例2
将100g平均粒径为20μm的聚苯胺粉体、10g润湿分散剂BYK-151和100g去离子水加入球磨机中，磨球为玛瑙球，球料比为15：1，以500r/min的速率球磨60min，得到均匀的聚苯胺填料液；
在400g氟含量为8％的水性氟碳乳液中依次加入所述聚苯胺填料液和300g固含量为5mg/mL的MXene水溶液，以500r/min的速率搅拌10h，得到均一的分散液；
向所述分散液中依次加入5g消泡剂BYK-020和80g增稠剂羟丙基甲基纤维素，继续充分搅拌，得到防腐防静电水性氟碳涂料。
实施例3
将100g平均粒径为20μm的聚苯胺粉体、10g润湿分散剂BYK-151和100g去离子水加入球磨机中，磨球为玛瑙球，球料比为15：1，以600r/min的速率球磨60min，得到均匀的聚苯胺填料液；
在500g氟含量为8％的水性氟碳乳液中依次加入所述聚苯胺填料液和200g固含量为5mg/mL的MXene水溶液，以500r/min的速率搅拌12h，得到均一的分散液；
向所述分散液中依次加入5g消泡剂BYK-020和80g增稠剂羟丙基甲基纤维素，继续充分搅拌，得到防腐防静电水性氟碳涂料。
所述防腐防静电水性氟碳涂料的检测方法与实施例1相同，本实施例的防静电试验结果如图2所示，由图2可以看出，相比于纯水性氟碳涂料(本发明采用的原料水性氟碳乳液)，采用本实施例制备的防腐防静电水性氟碳涂料使摩擦纳米发电机的输出电压从125V减小到25V，输出电压减小至原来的1/5，说明本发明提供的防腐防静电水性氟碳涂料能够显著降低水性氟碳乳液的摩擦电荷的产生，从而起到防静电的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种防腐防静电水性氟碳涂料，按重量份数计，组分如下：
Figure FDA0002773835350000011
2.根据权利要求1所述的防腐防静电水性氟碳涂料，其特征在于，所述水性氟碳乳液中氟的质量含量为8％。
3.根据权利要求1所述的防腐防静电水性氟碳涂料，其特征在于，所述聚苯胺粉体的平均粒径为20～30μm。
4.根据权利要求1所述的防腐防静电水性氟碳涂料，其特征在于，所述MXene水溶液中MXene为Ti3C2Tx。
5.根据权利要求1所述的防腐防静电水性氟碳涂料，其特征在于，所述润湿分散剂包括十二烷基苯磺酸钠、BYK-151、BYK-154、BYK-155、DISPERBYK-181、DISPERBYK-187或DISPERBYK-190。
6.根据权利要求1所述的防腐防静电水性氟碳涂料，其特征在于，所述消泡剂为有机硅类消泡剂。
7.根据权利要求1所述的防腐防静电水性氟碳涂料，其特征在于，所述增稠剂包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种或几种。
8.权利要求1～7任一项所述防腐防静电水性氟碳涂料的制备方法，包括以下步骤：
将聚苯胺粉体、润湿分散剂和水进行球磨，得到聚苯胺填料液；
将所述聚苯胺填料液、水性氟碳乳液和MXene水溶液混合，得到分散液；
将所述分散液、消泡剂和增稠剂混合，得到防腐防静电水性氟碳涂料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的转速为500～600r/min，所述球磨的时间为40～60min。
10.权利要求1～7任一项所述防腐防静电水性氟碳涂料或权利要求8～9任一项所述制备方法制备得到的防腐防静电水性氟碳涂料在摩擦纳米发电机中的应用。
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