CN116042048A - 一种基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料及其制备方法 - Google Patents

一种基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料及其制备方法，包括如下重量份数的原料：环氧树脂为36～38份、固化剂为18～19份、乙酸丁酯为40份、水滑石为0.8～2.4份，有机缓蚀剂为0.2～0.6份，蒙脱土为0.9～2.7份，无机缓蚀剂为0.1～0.3份，流平剂为0.1份，消泡剂为0.1份组成，并按照载体合成，复配，搅拌分散共混，烘烤固化等步骤制备该涂层并通过调控水滑石和蒙脱土在涂层中的配比，发挥负载在水滑石和蒙脱土上的缓蚀剂的协同作用提升了涂层破损后环氧基树脂耐腐蚀性能。

Description

一种基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子复合涂料及制备方法，特别涉及一种基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料及其制备方法。
背景技术
海洋环境中服役的装备设施尤其是船舶与海上平台遭受着严重的腐蚀问题。有机涂层作为一种经济高效的防腐手段受到了大规模的应用。但是，传统的涂层容易在海水的长期冲刷下发生鼓泡破损等现象，同时在海洋工程上对破损部位进行修复的难度和成本相对于陆地环境大大提高。因此，开发具有主动响应损伤并触发自修复行为的智能涂层刻不容缓。
水滑石和蒙脱土又被称为阴离子粘土和阳离子粘土。两者因层板所带电荷种类不同，可将阴阳离子嵌入层间，并具有阴阳离子交换能力。水滑石由于其出色的离子交换能力，在腐蚀防护领域可将阴离子化的缓蚀剂插进层间，通过离子交换捕获具有腐蚀性的阴离子并释放缓蚀剂起到离子刺激响应促进涂层自修复的作用。“CN113716574A”公开了“一种缓蚀性阴离子插层层状双金属氢氧化物及制备方法和应用”，其将PO4 3和SiO3 2两种缓蚀剂阴离子插层到水滑石层间，并通过一定比例或2种以上的组合添加到水性环氧涂层中。水滑石的阴离子交换特点延长了腐蚀介质到达金属基体并起到自修复作用。蒙脱土作为一种纳米结构的层状材料，当其分散在涂料中时可以形成“迷宫效应”，通过延长电解质的扩散路径来提高涂层的抗腐蚀能力。此外，具有层状结构的蒙脱土可以通过离子交换反应释放具有缓蚀作用的阳离子。“CN113249024 A”公开了“一种单宁酸修饰铈离子改性蒙脱土/水性聚氨酯的制备方法”，其将负载铈阳离子的蒙脱土用单宁酸修饰并加入水性聚氨酯涂料中，单宁酸和铈离子可以与腐蚀产物反应生成不溶性物质阻断腐蚀过程。“CN103555029A”公开了“一种水性纳米涂料”，其将水滑石、蒙脱土等多种填料按比例混合作为改性阻燃复合剂提高涂层的阻燃效率。缓蚀剂的协同作用是指多种缓蚀剂复配在一起使用时，单独缓蚀剂对金属的缓蚀效果好，这样不仅能减少单一缓蚀剂的用量还能得到更好的缓蚀效果。“CN 107190302 A”公开了“一种实现镁合金双重自修复的复合防护涂层及其制备方法”，其通过微弧氧化的方法在镁合金表面设计出多孔氧化膜并填充缓蚀剂，然后加掺杂另一种缓蚀剂的有机涂层涂覆到氧化膜表面，一旦涂层破损，两处具有协同作用的缓蚀剂可以释放出来实现对镁合金基体的双重自修复。
以上述发明利用水滑石和蒙脱土的离子响应能力赋予涂层自修复的能力，但是单一的缓蚀剂对破损区域的修复效率有限。然而，利用两种填料的涂层只是利用水滑石和蒙脱土的阻隔作用，并没有将其作为缓蚀剂的载体提高两者效率。另外，仅通过掺杂的方法将两种缓蚀剂引入涂层体系并实现协同作用，这对缓蚀剂在涂层中的长期有效性提出了更高的要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的提供一种基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料。
本发明的另一目的是提供所述基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料的制备方法。
技术方案：所述基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料，成分包括环氧树脂、乙酸丁酯、固化剂、水滑石、蒙脱土、有机缓蚀剂、无机缓蚀剂、流平剂和消泡剂，各个成分的重量份数为：
所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料的制备方法，
(1)将碳酸根插层镁铝水滑石在煅烧，冷却到室温得到层状双金属氧化物，将层状双金属氧化物放入缓蚀剂水溶液中，该缓蚀剂水溶液由有机缓蚀剂2-巯基苯并咪唑或2-巯基苯并噻唑与等量的氢氧化钠配置而成并调整pH至11，将混合溶液水浴搅拌，全程在氮气气氛下，后离心清洗，真空干燥，得到有机缓蚀剂插层的水滑石；
(2)将钠基蒙脱土放入去离子水中超声处理，室温搅拌后加入硝酸铈或硝酸钐再将溶液超声，将混合溶液离心，洗涤，真空干燥得到无机缓蚀剂插层的蒙脱土；
(3)将环氧树脂与有机缓蚀剂插层水滑石和无机缓蚀剂插层蒙脱土分散在乙酸丁酯中超声，加入固化剂后混合均匀，并涂覆到金属基材表面，固化，所得有机涂层即为基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料。
进一地，所述的环氧树脂是E-44环氧树脂。
进一地，所述的水滑石是镁铝水滑石(Mg6Al2(CO3)(OH)16·4H2O)。
进一地，所述的有机缓蚀剂是2-巯基苯并咪唑(C7H6N2S)或2-巯基苯并噻唑(C7H5NS2)。
进一地，所述的蒙脱土是钠基蒙脱土(Al2O9Si3)。
进一地，所述的无机缓蚀剂是硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)或硝酸钐(Sm(NO3)3·6H2O)。
进一地，所述的固化剂是聚酰胺树脂。
进一地，所述的流平剂是聚醚改性聚二甲基硅氧烷。
进一地，所述的消泡剂是不含有机硅的破泡聚合物溶液。
本发明是通过煅烧再水合法和阳离子交换法制备多种阴阳离子缓蚀剂插层的水滑石和蒙脱土。通过设计两种或多种负载缓蚀剂的纳米容器在涂层中的比例，来实现缓蚀剂在涂层中的协同作用。该涂层在破损后，腐蚀介质渗入，Cl-或Na+在通过水滑石和蒙脱土时会发生阴阳离子交换，释放出具有缓蚀作用的阳离子Ce3+、Sm3+和阴离子缓蚀剂MBI、MBT，多种缓蚀剂的复配在破损部位形成配合物起到保护底材的作用。
本发明以两种具有离子交换能力的材料作为纳米容器负载多组具有缓蚀协同作用的阴阳离子缓蚀剂并制备出基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料。本发明所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料通过两种载体合适的配比配置出比单一载体或纯环氧树脂防腐效果更为优异的复合涂层。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优势：
本发明以简单的煅烧再水合法制备的上述水滑石载体具有突出的离子响应能力，随着氯离子浓度的升高，缓蚀剂释放的越快。本发明是利用水滑石和蒙脱土的阴阳离子交换能力，分别负载具有协同作用的两种或多种缓蚀剂，通过纳米容器负载缓蚀剂的方法将其引入涂层体系，实现缓蚀剂的协同作用在涂层中更有效的应用。
附图说明
图1展示了负载不同缓蚀剂的水滑石载体在不同浓度的NaCl溶液中的缓蚀剂释放情况；
图2为不同载体配比的环氧树脂涂层的低频阻抗模量随浸泡时间变化情况。
具体实施方式
实施例1：
不添加载体的环氧树脂涂料按如下投料配比制得(质量百分比含量)：
将环氧树脂分散在乙酸丁酯中超声10min，加入固化剂后混合均匀，并涂覆到金属基材表面，在100℃固化1h，所得有机涂层即为不添加载体的环氧树脂涂料。未添加载体的环氧树脂破损涂层样品的阻抗约为3.08×105Ω。
实施例2：
仅添加蒙脱土的环氧树脂涂料按如下投料配比制得(质量百分比含量)：
(1)将钠基蒙脱土放入去离子水中超声10min，然后室温搅拌2h后加入硝酸铈或硝酸钐再将溶液超声10min，在80℃油浴搅拌24h，冷却后将混合溶液在6000rpm下离心5min，去离子水洗涤3次，60℃真空干燥24h得到无机缓蚀剂插层的蒙脱土。(2)将环氧树脂与无机缓蚀剂插层蒙脱土分散在乙酸丁酯中超声10min，加入固化剂后混合均匀，并涂覆到金属基材表面，在100℃固化1h，所得有机涂层即为仅添加蒙脱土的离子刺激响应自修复涂料。仅添加蒙脱土的离子刺激响应自修复破损涂层样品的阻抗约为5.49×105Q。
实施例3：
仅添加水滑石的环氧树脂涂料按如下投料配比制得(质量百分比含量)：
(1)将碳酸根插层镁铝水滑石在管式炉中于500℃煅烧4h，然后冷却到室温得到层状双金属氧化物，之后将层状双金属氧化物放入含3倍摩尔量的缓蚀剂水溶液。该缓蚀剂水溶液由有机缓蚀剂2-巯基苯并咪唑或2-巯基苯并噻唑与等量的氢氧化钠配置而成并调整pH至11。将混合溶液在60℃水浴剧烈搅拌24h，全过程在氮气气氛下。然后将混合溶液在6000rpm下离心5min，去离子水洗涤3次，60℃真空干燥24h得到有机缓蚀剂插层的水滑石。(2)将环氧树脂与有机缓蚀剂插层水滑石分散在乙酸丁酯中超声10min，加入固化剂后混合均匀，并涂覆到金属基材表面，在100℃固化1h，所得有机涂层即为仅添加水滑石的离子刺激响应自修复涂料。仅添加水滑石的离子刺激响应自修复破损涂层样品的阻抗约为4.27×105Ω。
实施例4：
基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料按如下投料配比制得(质量百分比含量)：
(1)将碳酸根插层镁铝水滑石在管式炉中于500℃煅烧4h，然后冷却到室温得到层状双金属氧化物，之后将层状双金属氧化物放入含3倍摩尔量的缓蚀剂水溶液。该缓蚀剂水溶液由有机缓蚀剂2-巯基苯并咪唑或2-巯基苯并噻唑与等量的氢氧化钠配置而成并调整pH至11。将混合溶液在60℃水浴剧烈搅拌24h，全过程在氮气气氛下。然后将混合溶液在6000rpm下离心5min，去离子水洗涤3次，60℃真空干燥24h得到有机缓蚀剂插层的水滑石。(2)将钠基蒙脱土放入去离子水中超声10min，然后室温搅拌2h后加入硝酸铈或硝酸钐再将溶液超声10min，在80℃油浴搅拌24h，冷却后将混合溶液在6000rpm下离心5min，去离子水洗涤3次，60℃真空干燥24h得到无机缓蚀剂插层的蒙脱土。(3)将环氧树脂与有机缓蚀剂插层水滑石和无机缓蚀剂插层蒙脱土分散在乙酸丁酯中超声10min，加入固化剂后混合均匀，并涂覆到金属基材表面，在100℃固化1h，所得有机涂层即为基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料。水滑石与蒙脱土比例为2∶1的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂层样品的阻抗约为5.95×105Ω。
实施例5：
基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料按如下投料配比制得(质量百分比含量)：
(1)将碳酸根插层镁铝水滑石在管式炉中于500℃煅烧4h，然后冷却到室温得到层状双金属氧化物，之后将层状双金属氧化物放入含3倍摩尔量的缓蚀剂水溶液。该缓蚀剂水溶液由有机缓蚀剂2-巯基苯并咪唑或2-巯基苯并噻唑与等量的氢氧化钠配置而成并调整pH至11。将混合溶液在60℃水浴剧烈搅拌24h，全过程在氮气气氛下。然后将混合溶液在6000rpm下离心5min，去离子水洗涤3次，60℃真空干燥24h得到有机缓蚀剂插层的水滑石。(2)将钠基蒙脱土放入去离子水中超声10min，然后室温搅拌2h后加入硝酸铈或硝酸钐再将溶液超声10min，在80℃油浴搅拌24h，冷却后将混合溶液在6000rpm下离心5min，去离子水洗涤3次，60℃真空干燥24h得到无机缓蚀剂插层的蒙脱土。(3)将环氧树脂与有机缓蚀剂插层水滑石和无机缓蚀剂插层蒙脱土分散在乙酸丁酯中超声10min，加入固化剂后混合均匀，并涂覆到金属基材表面，在100℃固化1h，所得有机涂层即为基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料。水滑石与蒙脱土比例为1∶1的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂层样品的阻抗约为4.84×105Q。
实施例6：
基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料按如下投料配比制得(质量百分比含量)：
(1)将碳酸根插层镁铝水滑石在管式炉中于500℃煅烧4h，然后冷却到室温得到层状双金属氧化物，之后将层状双金属氧化物放入含3倍摩尔量的缓蚀剂水溶液。该缓蚀剂水溶液由有机缓蚀剂2-巯基苯并咪唑或2-巯基苯并噻唑与等量的氢氧化钠配置而成并调整pH至11。将混合溶液在60℃水浴剧烈搅拌24h，全过程在氮气气氛下。然后将混合溶液在6000rpm下离心5min，去离子水洗涤3次，60℃真空干燥24h得到有机缓蚀剂插层的水滑石。(2)将钠基蒙脱土放入去离子水中超声10min，然后室温搅拌2h后加入硝酸铈或硝酸钐再将溶液超声10min，在80℃油浴搅拌24h，冷却后将混合溶液在6000rpm下离心5min，去离子水洗涤3次，60℃真空干燥24h得到无机缓蚀剂插层的蒙脱土。(3)将环氧树脂与有机缓蚀剂插层水滑石和无机缓蚀剂插层蒙脱土分散在乙酸丁酯中超声10min，加入固化剂后混合均匀，并涂覆到金属基材表面，在100℃固化1h，所得有机涂层即为基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料。水滑石与蒙脱土比例为1∶2的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂层样品的阻抗约为5.15×105Ω。
图1展示了负载不同缓蚀剂的水滑石载体在不同浓度的NaCl溶液中的缓蚀剂释放情况，由图1可以看出溶液中缓蚀剂的浓度随着载体浸泡时间而逐渐增大，同时随NaCl浓度增加而释放越快，说明利用水滑石的阴离子交换能力可以实现缓蚀剂应对离子浓度的变化作出刺激响应释放以应对高NaCl浓度的腐蚀环境。
通过电化学阻抗谱的测试方法对涂层的防腐蚀性能进行研究，不同载体配比的环氧树脂涂层的低频阻抗模量随浸泡时间的变化曲线如图2所示。由图2例1可知，纯环氧树脂的破损涂层没有负载缓蚀剂载体的加入表现出较低的低频阻抗模量且随浸泡时间延长而快速减小。相反，例2与例3为仅添加单一负载缓蚀剂载体的环氧树脂涂层，两者的低频阻抗模量与例1相比有了明显的增大同时随浸泡时间而缓慢减小，说明单一的缓蚀剂能有效提高涂层的自修复能力提高破损涂层耐腐蚀性能。然而，例4、例5和例6为添加了不同配比的2种负载缓蚀剂载体的环氧树脂涂层。这3种破损涂层的低频阻抗模量均大于例1与例3，表现出较高的防腐蚀性能与对破损涂层的自修复能力。同时例4表现出优于例1、例2和例3的防腐蚀能力。由此说明通过改变2种负载缓蚀剂载体的配比可以有效利用缓蚀剂的协同作用得到一种合理的配方以达到最优的防腐蚀效果。

Claims (10)

1.一种基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料，其特征在于：成分包括环氧树脂、乙酸丁酯、固化剂、水滑石、蒙脱土、有机缓蚀剂、无机缓蚀剂、流平剂和消泡剂，各个成分的重量份数为：
Figure FDA0003909574330000011
2.根据权利要求1所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料的制备方法，其特征在于：
(1)将碳酸根插层镁铝水滑石在煅烧，冷却到室温得到层状双金属氧化物，将层状双金属氧化物放入缓蚀剂水溶液中，该缓蚀剂水溶液由有机缓蚀剂2-巯基苯并咪唑或2-巯基苯并噻唑与等量的氢氧化钠配置而成并调整pH至11，将混合溶液水浴搅拌，全程在氮气气氛下，后离心清洗，真空干燥，得到有机缓蚀剂插层的水滑石；
(2)将钠基蒙脱土放入去离子水中超声处理，室温搅拌后加入硝酸铈或硝酸钐再将溶液超声，将混合溶液离心，洗涤，真空干燥得到无机缓蚀剂插层的蒙脱土；
(3)将环氧树脂与有机缓蚀剂插层水滑石和无机缓蚀剂插层蒙脱土分散在乙酸丁酯中超声，加入固化剂后混合均匀，并涂覆到金属基材表面，固化，所得有机涂层即为基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料。
3.根据权利要求1所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料，其特征在于：所述的环氧树脂是E-44环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料，其特征在于：所述的水滑石是镁铝水滑石(Mg6Al2(CO3)(OH)16·4H2O)。
5.根据权利要求1所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料，其特征在于：所述的有机缓蚀剂是2-巯基苯并咪唑(C7H6N2S)或2-巯基苯并噻唑(C7H5NS2)。
6.根据权利要求1所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料，其特征在于：所述的蒙脱土是钠基蒙脱土(Al2O9Si3)。
7.根据权利要求1所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料，其特征在于：所述的无机缓蚀剂是硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)或硝酸钐(Sm(NO3)3·6H2O)。
8.根据权利要求1所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料，其特征在于：所述的固化剂是聚酰胺树脂。
9.根据权利要求1所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料，其特征在于：所述的流平剂是聚醚改性聚二甲基硅氧烷。
10.根据权利要求1所述的基于缓蚀剂协同作用的离子刺激响应自修复涂料，其特征在于：所述的消泡剂是不含有机硅的破泡聚合物溶液。
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