CN114891418B - 一种防静电石墨烯涂料及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于涂料技术领域，具体涉及一种防静电石墨烯涂料及其应用方法。本发明研制的产品中，包括A、B、C三组分；其中，所述A组分包括：环氧树脂、环氧树脂质量3‑8％的氧化石墨烯，以及环氧树脂质量50‑80％的溶剂；所述B组分包括：环氧树脂、环氧树脂质量10‑15％的石墨烯，以及环氧树脂质量50‑80％的溶剂；所述C组分包括：环氧树脂固化剂；在使用时，将B组分和C组分按质量比为10：1‑12：1混合均匀后，作为底层涂料涂覆于基材表面，控制涂覆厚度为Xmm；将A组分和C组分按质量比为15：1‑20：1混合均匀后，作为表层涂料涂覆于所述底层涂料表面，控制涂覆厚度为Ymm；所述Y：X＝2：1‑4：1。

Description

一种防静电石墨烯涂料及其应用方法

技术领域

本发明属于涂料技术领域。更具体地，涉及一种防静电石墨烯涂料及其应用方法。

背景技术

根据导电原理可将导静电防腐涂料分为本征型和添加型。本征型是指以本征型导电聚合物为成膜物质所制成的导电涂料，无需添加导静电材料。然而由于导电高分子的种类较少，合成和施工难度较大，因此本征型导静电防腐涂料的开发和应用尚处于研究和探索阶段。

添加型导静电防腐涂料是将具有导电性的导电物质掺入非导电的成膜树脂中，使涂料既具有导电性，又具有高分子材料的许多优异特性。并且可以根据使用需要，在较大的范围内调节力学和电学性能；另外制备过程简单易行且成本较低，因而应用较广泛。添加型导电涂料主要由成膜树脂、导电材料、颜材料、助剂及溶剂等组成。

碳系导静电防腐涂料是用量比较大的一种功能性涂料，它具有无毒无害、成本低、质轻等优点。用碳系材料制备导电涂料时，一般不单独使用，通常是将它和炭黑等混合使用。碳系导电材料的缺点是分散稳定性、抗渗透性和附着力较差，颜色深不便于检修，因此在实际应用中受到了一定限制。

由于石墨烯具有优异的综合性能，其作为导电涂料的功能添加剂是好的选择之一，然而，单一的添加石墨烯仍然存在其固有的缺陷，石墨烯在涂料中分散能力差，而如果采用分散性能较好的氧化石墨烯，其导电能力相对较弱。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有碳系导电涂料单一原料无法兼顾涂料的综合性能的缺陷和不足，提供一种防静电石墨烯涂料及其应用方法。

本发明的目的是提供一种防静电石墨烯涂料。

本发明另一目的是提供一种防静电石墨烯涂料的应用方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种防静电石墨烯涂料，包括A、B、C三组分；

其中，所述A组分包括：环氧树脂、环氧树脂质量3-8％的氧化石墨烯，以及环氧树脂质量50-80％的溶剂；

所述B组分包括：环氧树脂、环氧树脂质量10-15％的石墨烯，以及环氧树脂质量50-80％的溶剂；

所述C组分包括：环氧树脂固化剂；

在使用时，将B组分和C组分混合后作为底层涂料，将A组分和C组分混合后作为表层涂料。

上述技术方案通过以环氧树脂体系和石墨烯作为底层涂料，而采用相同的环氧树脂体系和氧化石墨烯作为表层涂料，并且底层涂料中石墨烯的含量相对较高，而表层中氧化石墨烯的含量相对较小，如此，可以利用氧化石墨烯自身本身较好的分散能力，仅需要相对较少的添加量，就可以在环氧树脂体系中分散，并形成连续的导电网络，避免表层导电填料的过量添加，因此表层涂料综合性能下降；而底层通过相对较多添加量的石墨烯，一方面，本身石墨烯导电能力由于氧化石墨烯，其可以将氧化石墨烯在表面汇集的电子快速在内部以及和基体形成电子传递，通过改变传统导电涂料的电子传递路径，避免电子在涂层表面汇集，并且，较多的添加量的情况下，由于氧化石墨烯和石墨烯相互之间，可以由于π-π相互作用而产生吸附力，如此，表层中良好分散的氧化石墨烯可以对底层中的石墨烯产生逆向的牵制力，避免石墨烯在使用过程中，快速在底层涂料中沉降，而石墨烯的添加量如果太低，一方面，在混料过程中，石墨烯分子相互之间的摩擦力较弱，难以在体系中和溶剂以及树脂充分接触，并且容易导致氧化石墨烯对其的吸附力过弱，石墨烯相互之间吸附力的传递困难，反而不利于其分散；如果石墨烯含量过大，则容易对表层分散良好的氧化石墨烯形成过大的相互作用力，影响表层中氧化石墨烯的分散，从而最终影响涂料整体的防静电能力。

进一步的，所述表层涂料的厚度和所述底层涂料厚度比为2：1-4：1。

上述技术方案通过进一步调控表层涂料和底层涂料的厚度，并且使得表层涂料相比而言厚于底层涂料，如此，可以使得表层中氧化石墨烯充分分散在纵向方向上形成立体的电子汇集网络，并且较薄的底层涂料也可以尽可能的降低石墨烯自身沉降带来的不良影响。

进一步的，所述溶剂是由二甲苯和正丁醇按质量比为3：1-6：1复配而成。

进一步的，所述环氧树脂选自环氧树脂E20、环氧树脂E42、环氧树脂E44、环氧树脂E51中的任意一种。

进一步的，所述氧化石墨烯层间嵌入有阴离子表面活性剂；所述阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠，十二烷基硫酸钠中的任意一种。

上述技术方案通过在氧化石墨烯的层间嵌入阴离子表面活性剂，一方面，可以有效改产氧化石墨烯在树脂体系中的分散能力，另一方面，可以有效拓宽氧化石墨烯层与层之间的层间距，使得氧化石墨烯倾向于以单片层形式在表层涂料中分散，如此，可以相互穿插形成立体的电子传递网络；再者，单片层的分散状态，可以使得表层的部分氧化石墨烯和底层涂料形成部分的交叠区，避免表层和底层形成显著的界面层，影响两者之间的电子传输，使涂料固化后可以形成有机整体。

进一步的，所述氧化石墨烯的D50为30-80nm；所述氧化石墨烯的粒径分布范围为10-120nm。

进一步的，所述石墨烯的D50为200-500nm；所述石墨烯的粒径分布范围为120-650nm。

上述技术方案通过调控氧化石墨烯和石墨烯的尺寸，如此，不仅可以使得两者在环氧树脂体系中良好分散，并且，两者匹配的粒径分布范围可以平衡两者之间的相互作用力和沉降能力，使得涂料整体获得优异的综合性能。

一种防静电石墨烯涂料的应用方法，具体应用步骤包括：

将B组分和C组分按质量比为10：1-12：1混合均匀后，作为底层涂料涂覆于基材表面，控制涂覆厚度为Xmm；

将A组分和C组分按质量比为15：1-20：1混合均匀后，作为表层涂料涂覆于所述底层涂料表面，控制涂覆厚度为Ymm；

所述Y：X＝2：1-4：1。

进一步的，所述表层涂料在所述底层涂料未表干前涂覆于所述底层涂料的表面。

上述技术方案通过在涂料具体应用过程中，控制组分复配使用时，表层和底层涂料选用不通用量的固化剂，如此，表层涂料由于和空气直接接触，溶剂挥发快，而底层涂料虽然和空气隔绝，溶剂挥较慢，但是由于其固化剂含量加入较多，总体而言，可以使得表层和底层在环氧树脂固化过程中，获得相对同步的固化速度，避免由于固化速率不同导致的表面涂层收缩，底层和基材结合力下降的弊端。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1

氧化石墨烯的预处理：

将氧化石墨烯和水按质量比为1：8混合后，于超声频率为60kHz条件下，超声分散10min，再加入氧化石墨烯质量5％的阴离子表面活性剂，继续超声分散10min后，抽滤，干燥，得预处理氧化石墨烯；

其中，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠；

A组分的配制：

将环氧树脂，环氧树脂质量3％的预处理氧化石墨烯，以及环氧树脂质量50％的溶剂混合倒入球磨罐中，并按球料质量比为20：1加入氧化锆球磨珠，以自转转速为300r/min，公转转速为400r/min条件下，球磨混合2h，出料，得A组分；

B组分的配制：

将环氧树脂，环氧树脂质量10％的石墨烯，以及环氧树脂质量50％的溶剂混合倒入球磨罐中，并按球料质量比为20：1加入氧化锆球磨珠，以自转转速为300r/min，公转转速为400r/min条件下，球磨混合2h，出料，得B组分；

所述溶剂是由二甲苯和正丁醇按质量比为3：1复配而成；

所述环氧树脂选自环氧树脂E20；

所述氧化石墨烯的D50为30nm；所述氧化石墨烯的粒径分布范围为10-80nm；

所述石墨烯的D50为200nm；所述石墨烯的粒径分布范围为120-450nm；

涂料的应用：

以聚酰胺固化剂650为C组分；

将B组分和C组分按质量比为10：1混合均匀后，真空脱泡，随后将其作为底层涂料涂覆于Q235B钢材基材表面，控制涂覆厚度为1mm；

将A组分和C组分按质量比为15：1混合均匀后，真空脱泡，随后在所述底层涂料未表干前，将其作为表层涂料涂覆于所述底层涂料表面，控制涂覆厚度为2mm；

待涂覆结束后，加热使涂料固化，即完成涂料的应用。

实施例2

氧化石墨烯的预处理：

将氧化石墨烯和水按质量比为1：9混合后，于超声频率为70kHz条件下，超声分散20min，再加入氧化石墨烯质量6％的阴离子表面活性剂，继续超声分散20min后，抽滤，干燥，得预处理氧化石墨烯；

其中，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠；

A组分的配制：

将环氧树脂，环氧树脂质量5％的预处理氧化石墨烯，以及环氧树脂质量60％的溶剂混合倒入球磨罐中，并按球料质量比为25：1加入氧化锆球磨珠，以自转转速为350r/min，公转转速为450r/min条件下，球磨混合3h，出料，得A组分；

B组分的配制：

将环氧树脂，环氧树脂质量12％的石墨烯，以及环氧树脂质量60％的溶剂混合倒入球磨罐中，并按球料质量比为25：1加入氧化锆球磨珠，以自转转速为350r/min，公转转速为450r/min条件下，球磨混合3h，出料，得B组分；

所述溶剂是由二甲苯和正丁醇按质量比为5：1复配而成；

所述环氧树脂选自环氧树脂E42；

所述氧化石墨烯的D50为50nm；所述氧化石墨烯的粒径分布范围为20-100nm；

所述石墨烯的D50为300nm；所述石墨烯的粒径分布范围为220-550nm；

涂料的应用：

以聚酰胺固化剂650为C组分；

将B组分和C组分按质量比为11：1混合均匀后，真空脱泡，随后将其作为底层涂料涂覆于Q235B钢材基材表面，控制涂覆厚度为1mm；

将A组分和C组分按质量比为18：1混合均匀后，真空脱泡，随后在所述底层涂料未表干前，将其作为表层涂料涂覆于所述底层涂料表面，控制涂覆厚度为3mm；

待涂覆结束后，加热使涂料固化，即完成涂料的应用。

实施例3

氧化石墨烯的预处理：

将氧化石墨烯和水按质量比为1：10混合后，于超声频率为80kHz条件下，超声分散30min，再加入氧化石墨烯质量10％的阴离子表面活性剂，继续超声分散30min后，抽滤，干燥，得预处理氧化石墨烯；

其中，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠中的任意一种；

A组分的配制：

将环氧树脂，环氧树脂质量8％的预处理氧化石墨烯，以及环氧树脂质量80％的溶剂混合倒入球磨罐中，并按球料质量比为30：1加入氧化锆球磨珠，以自转转速为400r/min，公转转速为500r/min条件下，球磨混合4h，出料，得A组分；

B组分的配制：

将环氧树脂，环氧树脂质量15％的石墨烯，以及环氧树脂质量80％的溶剂混合倒入球磨罐中，并按球料质量比为30：1加入氧化锆球磨珠，以自转转速为400r/min，公转转速为500r/min条件下，球磨混合4h，出料，得B组分；

所述溶剂是由二甲苯和正丁醇按质量比为6：1复配而成；

所述环氧树脂选自环氧树脂E44；

所述氧化石墨烯的D50为80nm；所述氧化石墨烯的粒径分布范围为50-120nm；

所述石墨烯的D50为500nm；所述石墨烯的粒径分布范围为380-650nm；

涂料的应用：

以聚酰胺固化剂650为C组分；

将B组分和C组分按质量比为12：1混合均匀后，真空脱泡，随后将其作为底层涂料涂覆于Q235B钢材基材表面，控制涂覆厚度为1mm；

将A组分和C组分按质量比为20：1混合均匀后，真空脱泡，随后在所述底层涂料未表干前，将其作为表层涂料涂覆于所述底层涂料表面，控制涂覆厚度为4mm；

待涂覆结束后，加热使涂料固化，即完成涂料的应用。

实施例4

本实施例和实施例1相比，区别在于：未添加阴离子表面活性剂，其余条件保持不变。

实施例5

本实施例和实施例1相比，区别在于：表层涂料的厚度为1mm，底层涂料的厚度为2mm，其余条件保持不变。

实施例6

本实施例和实施例1相比，区别在于：所述石墨烯的D50为30nm；所述石墨烯的粒径分布范围为10-80nm；所述氧化石墨烯的D50为200nm；所述氧化石墨烯的粒径分布范围为120-450nm；其余条件保持不变。

对比例1

氧化石墨烯的预处理：

将氧化石墨烯和水按质量比为1：8混合后，于超声频率为60kHz条件下，超声分散10min，再加入氧化石墨烯质量5％的阴离子表面活性剂，继续超声分散10min后，抽滤，干燥，得预处理氧化石墨烯；

其中，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠；

A组分的配制：

将环氧树脂，环氧树脂质量3％的预处理氧化石墨烯，以及环氧树脂质量50％的溶剂混合倒入球磨罐中，并按球料质量比为20：1加入氧化锆球磨珠，以自转转速为300r/min，公转转速为400r/min条件下，球磨混合2h，出料，得A组分；

B组分的配制：

将环氧树脂，环氧树脂质量10％的石墨烯，以及环氧树脂质量50％的溶剂混合倒入球磨罐中，并按球料质量比为20：1加入氧化锆球磨珠，以自转转速为300r/min，公转转速为400r/min条件下，球磨混合2h，出料，得B组分；

所述溶剂是由二甲苯和正丁醇按质量比为3：1复配而成；

所述环氧树脂选自环氧树脂E20；

所述氧化石墨烯的D50为30nm；所述氧化石墨烯的粒径分布范围为10-80nm；

所述石墨烯的D50为200nm；所述石墨烯的粒径分布范围为120-450nm；

涂料的应用：

以聚酰胺固化剂650为C组分；

将B组分和C组分按质量比为10：1混合均匀后，真空脱泡，得1#混合料；

将A组分和C组分按质量比为15：1混合均匀后，真空脱泡，得2#混合料；

将1#混合料和2#混合料按照质量比为1：2混合均匀后，涂覆于Q235B钢材基材表面，控制涂覆厚度为3mm，待涂覆结束后，加热使涂料固化，即完成涂料的应用。

对比例2

用等质量的石墨烯取代氧化石墨烯，其余条件保持不变。

对实施例1-6及对比例1-2所得漆膜进行性能测试，具体测试方法如下所述：

涂层抗冲击强度测试：

使用带有涂层的50mm×150mm×1mm钢板进行抗冲击性能表征。漆膜冲击器(BGD304)的重锤(1Kg)，在测试管道中冲击落到样板上，利用放大镜观察涂层表面出现裂纹时，对应的冲击高度，以此来表征涂层的抗冲击性能；

涂层柔韧性测试：

使用柔韧性测试仪(BGD 560)测试涂层的柔韧性，测试涂层的柔韧性时把带有涂层的样板在轴棒上弯曲，弯曲时涂层不裂开或者不脱落的最小轴棒直径作为涂层的柔韧性参数。

涂层导电性能测试：

涂层导静电性能由表面电阻率测试仪测定。选择测厚仪测量涂层表面厚度。基于确定的涂层厚度，用TERA Ohmmeter TOM 600(Kleinwachter，德国)来测量涂层的表面电阻。每个样品测试五次。通过Tom 600测试，测量电阻并计算表面电阻率。

具体测试结果如表1所示：

表1：产品性能测试结果

	抗冲击性能/cm	柔韧性/mm	导电性能/Ω·cm
				实施例1	65.5	1	<![CDATA[6.2×10<sup>6</sup>]]>
实施例2	66.2	1	<![CDATA[6.3×10<sup>6</sup>]]>
				实施例3	65.9	1	<![CDATA[5.9×10<sup>6</sup>]]>
实施例4	62.2	1	<![CDATA[6.7×10<sup>6</sup>]]>
				实施例5	61.5	1	<![CDATA[7.1×10<sup>6</sup>]]>
实施例6	60.9	1	<![CDATA[7.6×10<sup>6</sup>]]>
				对比例1	50.1	2	<![CDATA[8.9×10<sup>7</sup>]]>
对比例2	49.9	2	<![CDATA[9.2×10<sup>6</sup>]]>

由表1测试结果可知，本发明所得产品使用后，可以获得综合性能更为优异的涂层。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种防静电石墨烯涂料，其特征在于，包括A、B、C三组分；

其中，所述A组分包括：环氧树脂、环氧树脂质量3-8%的氧化石墨烯，以及环氧树脂质量50-80%的溶剂；

所述B组分包括：环氧树脂、环氧树脂质量10-15%的石墨烯，以及环氧树脂质量50-80%的溶剂；

所述C组分包括：环氧树脂固化剂；

在使用时，将B组分和C组分混合后作为底层涂料，将A组分和C组分混合后作为表层涂料；所述表层涂料的厚度和所述底层涂料厚度比为2：1-4：1。

2.根据权利要求1所述的一种防静电石墨烯涂料，其特征在于，所述溶剂是由二甲苯和正丁醇按质量比为3：1-6：1复配而成。

3.根据权利要求1所述的一种防静电石墨烯涂料，其特征在于，所述环氧树脂选自环氧树脂E20、环氧树脂E42、环氧树脂E44、环氧树脂E51中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种防静电石墨烯涂料，其特征在于，所述氧化石墨烯层间嵌入有阴离子表面活性剂；所述阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠，十二烷基硫酸钠中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种防静电石墨烯涂料，其特征在于，所述氧化石墨烯的D50为30-80nm；所述氧化石墨烯的粒径分布范围为10-120nm。

6.根据权利要求5所述的一种防静电石墨烯涂料，其特征在于，所述石墨烯的D50为200-500nm；所述石墨烯的粒径分布范围为120-650nm。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的防静电石墨烯涂料的应用方法，其特征在于，具体应用步骤包括：

将B组分和C组分按质量比为10：1-12：1混合均匀后，作为底层涂料涂覆于基材表面，控制涂覆厚度为Xmm；

将A组分和C组分按质量比为15：1-20：1混合均匀后，作为表层涂料涂覆于所述底层涂料表面，控制涂覆厚度为Ymm；

所述Y：X=2：1-4：1。

8.根据权利要求7所述的一种防静电石墨烯涂料的应用方法，其特征在于，所述表层涂料在所述底层涂料未表干前涂覆于所述底层涂料的表面。