CN116042054A - 用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料及制备方法和应用 - Google Patents

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CN116042054A CN202310012825.4A CN202310012825A CN116042054A CN 116042054 A CN116042054 A CN 116042054A CN 202310012825 A CN202310012825 A CN 202310012825A CN 116042054 A CN116042054 A CN 116042054A
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Abstract

本发明公开一种用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料及制备方法和应用，它包括以下重量份计的原料：环氧树脂分散体65‑67份；固化剂31‑35份；新型助剂0.2‑0.45份；石墨烯基填料0.03‑0.05份；无机氧化物纳米填料0.4‑0.5份；溶剂8‑12份；本发明能够应用在水工环境下的金属防护，解决了防护涂料在水工金属构件的应用中存在广泛的涂层鼓泡现象。

Description

用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及水工金属构件功能材料技术领域，具体地指一种用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料及制备方法和应用。
背景技术
水工金属构件是水工建筑物的重要组成部分，由于金属构件长期浸没在在水中，或处于干湿交替、湿度大等环境中，易发生电化学腐蚀现象，因此防止水工金属件与腐蚀性介质(O2、H+和Cl-)接触，保护金属结构件免受腐蚀是关系到水工结构使用安全和寿命的重要因素。近年来，一系列基于石墨烯等新型二维材料阻隔性能的阻隔型防护涂料的开发，为水工金属构件的防护带来了新的契机。然而，防护涂料在水工金属构件的应用中存在广泛的涂层鼓泡现象，原因主要是水工金属构件存在于富水环境，湿度大，金属表面无法完全去除湿气的影响，甚至有水、冰以及表面结露的情况。涂装施工时，金属结构件和涂料之间的水化层通常会阻碍两者之间的相互作用。传统涂料如环氧涂料、石墨烯涂料和聚氨酯涂料虽然在干燥环境中效果很好，但是在水工金属结构件上表现出起泡、破裂等现象，性能表现不佳。
从海洋生物在富水环境下能牢牢吸附在海礁、船底得到启发，例如贝壳类海洋生物使用能够穿透金属基材上的水合层的粘性蛋白，附着在潮湿的金属表面上。这些粘附蛋白含有带有儿茶酚基团的氨基酸，例如：3,4-二羟基苯丙氨酸。因此，如果将儿茶酚官能化聚合物引入到防护涂料中，有望增加涂层与带湿金属表面的粘合力，同时引入凝胶材质如壳聚糖等能吸收金属表面的水化层，两种材料的协同作用有望彻底解决水工金属构件在涂装后的涂层鼓泡的现象，从而使二维阻隔防护涂料起到更好的物理阻隔效果，提高防腐性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料及制备方法和应用，将其应用在水工环境下的金属防护，解决防护涂料在水工金属构件的应用中存在广泛的涂层鼓泡现象。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料，它包括以下重量份计的原料：环氧树脂分散体65-67份；固化剂31-35份；新型助剂0.2-0.45份；石墨烯基填料0.03-0.05份；无机氧化物纳米填料0.4-0.5份；溶剂8-12份。
优选地，所述环氧树脂分散体包括环氧树脂、脲醛树脂和异氰酸酯中的任意一种或多种组合。
优选地，所述固化剂包括聚酰胺、脂肪胺中的任意一种或两种的组合。
优选地，所述石墨烯基填料包括石墨烯纳米片、氧化石墨烯纳米片(GO)和还原氧化石墨烯纳米片(rGO)中的任意一种或两种组合。
优选地，所述无机氧化物纳米填料包括氧化锌、纳米黏土、纳米鳞片、纳米蒙脱土和纳米SiO2中的任意一种或多种组合；所述溶剂为二甲苯。
优选地，所述新型助剂为儿茶酚修饰的壳聚糖粉末。
另外，本发明还公开上述用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料的制备方法，它包括以下步骤：
S1：制备新型助剂：将壳聚糖溶解于去离子水中后加入乙酸，制成溶液；向制得的溶液中分别加入与壳聚糖等量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、3，4-二羟基苯乙酸和N-羟基琥珀酰亚胺，用乙酸溶液和氢氧化钠溶液调节pH值，反应一段时间后；然后在去离子水中进行透析，然后冷冻干燥，获得儿茶酚修饰的壳聚糖粉末；
S2：制备二维阻隔防护涂料：在石墨烯基填料和无机氧化物纳米填料中，加入环氧树脂分散体和溶剂中，搅拌均匀；向其中添加新型助剂，搅拌得到待反应溶液；
S3：制备二维阻隔防护涂层：将待反应溶液与固化剂混合，并在室温下搅拌，固化，干燥。
进一步地，所述步骤S1中，将壳聚糖溶解于去离子水中后加入与壳聚糖等量的乙酸，制成壳聚糖浓度为0.02-0.04g/ml的溶液；向制得的溶液中分别加入与壳聚糖等量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、3，4-二羟基苯乙酸和N-羟基琥珀酰亚胺，用0.1mol/L乙酸溶液和0.01mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至5，在室温下反应12小时后；然后在去离子水中进行透析至pH值为7，然后冷冻干燥，获得儿茶酚修饰的壳聚糖粉末。
进一步地，所述步骤S2中，将环氧树脂分散体、新型助剂、石墨烯基填料和无机氧化物纳米填料分散于溶剂中，所述分散过程在搅拌和超声条件下进行，所述分散时间为5～30min，搅拌速度为1000rpm。
本发明还公开上述用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料应用于船舶、桥梁、海洋和河流湖泊设施水工环境下的金属构件表面防护领域中的用途。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的一种用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料及制备方法和应用的原理是在二维阻隔涂料中添加儿茶酚修饰的壳聚糖这种新型助剂，儿茶酚修饰的壳聚糖中的儿茶酚结构，增加了涂层与带湿金属表面的粘合力，而壳聚糖等能吸收金属表面的水化层，两者的协同作用便彻底解决了水工金属构件在涂装后的涂层鼓泡的现象。
2、与现有技术相比，本发明不需要对水工环境下的金属结构件进行特殊的加热和封闭等复杂的施工手段，可以如其他涂料一样正常使用，并且儿茶酚修饰的壳聚糖粉末的制备方法简单，对二维阻隔涂料的处理方法简单易行，只需要二维阻隔涂料的制备过程中添加儿茶酚修饰的壳聚糖粉末，无需对其他成分进行处理，不会对性能产生损伤，本发明在船舶、桥梁、海洋设施以及各类大型建筑钢铁结构等方向具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备的儿茶酚修饰的壳聚糖冷冻干燥前的图片；
图2是本发明实施例1制备的涂层的图片；
图3是对照例1制备的涂层的图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
一种用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料，它包括以下重量份计的原料：环氧树脂分散体65-67份；固化剂31-35份；新型助剂0.2-0.45份；石墨烯基填料0.03-0.05份；无机氧化物纳米填料0.4-0.5份；溶剂8-12份。
优选地，所述环氧树脂分散体包括环氧树脂、脲醛树脂和异氰酸酯中的任意一种或多种组合。
优选地，所述固化剂包括聚酰胺、脂肪胺中的任意一种或两种的组合。
优选地，所述石墨烯基填料包括石墨烯纳米片、氧化石墨烯纳米片(GO)和还原氧化石墨烯纳米片(rGO)中的任意一种或两种组合。
优选地，所述无机氧化物纳米填料包括氧化锌、纳米黏土、纳米鳞片、纳米蒙脱土和纳米SiO2中的任意一种或多种组合；所述溶剂为二甲苯。
优选地，所述新型助剂为儿茶酚修饰的壳聚糖粉末。
另外，本发明还公开上述用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料的制备方法，它包括以下步骤：
S1：制备新型助剂：将壳聚糖溶解于去离子水中后加入乙酸，制成溶液；向制得的溶液中分别加入与壳聚糖等量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、3，4-二羟基苯乙酸和N-羟基琥珀酰亚胺，用乙酸溶液和氢氧化钠溶液调节pH值，反应一段时间后；然后在去离子水中进行透析，然后冷冻干燥，获得儿茶酚修饰的壳聚糖粉末；
S2：制备二维阻隔防护涂料：在石墨烯基填料和无机氧化物纳米填料中，加入环氧树脂分散体和溶剂中，搅拌均匀；向其中添加新型助剂，搅拌得到待反应溶液；
S3：制备二维阻隔防护涂层：将待反应溶液与固化剂混合，并在室温下搅拌，固化，干燥。
进一步地，所述步骤S1中，将壳聚糖溶解于去离子水中后加入与壳聚糖等量的乙酸，制成壳聚糖浓度为0.02-0.04g/ml的溶液；向制得的溶液中分别加入与壳聚糖等量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、3，4-二羟基苯乙酸和N-羟基琥珀酰亚胺，用0.1mol/L乙酸溶液和0.01mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至5，在室温下反应12小时后；然后在去离子水中进行透析至pH值为7，然后冷冻干燥，获得儿茶酚修饰的壳聚糖粉末。
进一步地，所述步骤S2中，将环氧树脂分散体、新型助剂、石墨烯基填料和无机氧化物纳米填料分散于溶剂中，所述分散过程在搅拌和超声条件下进行，所述分散时间为5～30min，搅拌速度为1000rpm。
本发明还公开上述用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料应用于船舶、桥梁、海洋和河流湖泊设施水工环境下的金属构件表面防护领域中的用途。
实施例1
(1)将2g壳聚糖溶解于50ml去离子水，得到均匀的溶液；加入2g无水乙酸，搅拌15min制成均匀溶液；
(2)向制得的溶液中分别加入2g的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、2g的3，4-二羟基苯乙酸和2g的N-羟基琥珀酰亚胺，用0.1mol/L的乙酸溶液和0.01mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值到5，室温下继续搅拌反应12小时。
(3)步骤(2)所得凝胶在去离子水中进行透析至pH值为7，然后冷冻干燥，获得新型助剂：儿茶酚修饰的壳聚糖粉末。
(4)将0.018g石墨烯、0.184g ZnO和10g二甲苯分三次加入到环氧树脂分散体(30g)中，室温下搅拌30min以产生均匀溶液。
(5)在配置好的溶液中加入新型助剂(0.1g)，搅拌30min得到组分A。
(6)将组分A与聚酰胺以2：1的重量比混合，并在室温下以1000rpm/min搅拌30min。
(7)将涂层在室温下固化至表面干燥，然后在60℃条件下干燥12h。
实施例2
(1)将1g壳聚糖溶解于50ml去离子水，得到均匀的溶液；加入1g无水乙酸，搅拌15min制成均匀溶液；
(2)向制得的溶液中分别加入1g的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、1g的3，4-二羟基苯乙酸和1g的N-羟基琥珀酰亚胺，用0.1mol/L的乙酸溶液和0.01mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值到5，室温下继续搅拌反应12小时。
(3)步骤(2)所得凝胶在去离子水中进行透析至pH值为7，然后冷冻干燥，获得新型助剂：儿茶酚修饰的壳聚糖粉末。
(4)将0.018g石墨烯、0.182g纳米黏土和10g二甲苯分三次加入到环氧树脂分散体(30g)中，室温下搅拌30min以产生均匀溶液。
(5)在配置好的溶液中加入新型助剂(0.2g)，搅拌30min得到组分A。
(6)将组分A与聚酰胺以2：1的重量比混合，并在室温下以1500rpm/min搅拌30min。
(7)将涂层在室温下固化至表面干燥，然后在60℃条件下干燥12h。
实施例3
1)将1g壳聚糖溶解于50ml去离子水，得到均匀的溶液；加入1g无水乙酸，搅拌15min制成均匀溶液；
(2)向制得的溶液中分别加入1g的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、1g的3，4-二羟基苯乙酸和1g的N-羟基琥珀酰亚胺，用0.1mol/L的乙酸溶液和0.01mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值到5，室温下继续搅拌反应12小时。
(3)步骤(2)所得凝胶在去离子水中进行透析至pH值为7，然后冷冻干燥，获得新型助剂：儿茶酚修饰的壳聚糖粉末。
(4)将0.018g石墨烯、0.204g纳米蒙脱土和10g二甲苯分三次加入到环氧树脂分散体(30g)中，室温下搅拌30min以产生均匀溶液。
(5)在配置好的溶液中加入新型助剂(0.1g)，搅拌30min得到组分A。
(6)将组分A与聚酰胺以2：1的重量比混合，并在室温下以1500rpm/min搅拌30min。
(7)将涂层在室温下固化至表面干燥，然后在60℃条件下干燥12h。
实施例4
1)将1g壳聚糖溶解于50ml去离子水，得到均匀的溶液；加入1g无水乙酸，搅拌15min制成均匀溶液；
(2)向制得的溶液中分别加入1g的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、1g的3，4-二羟基苯乙酸和1g的N-羟基琥珀酰亚胺，用0.1mol/L的乙酸溶液和0.01mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值到5，室温下继续搅拌反应12小时。
(3)步骤(2)所得凝胶在去离子水中进行透析至pH值为7，然后冷冻干燥，获得新型助剂：儿茶酚修饰的壳聚糖粉末。
(4)将0.018g石墨烯、0.198g纳米SiO2和10g二甲苯分三次加入到环氧树脂分散体(30g)中，室温下搅拌30min以产生均匀溶液。
(5)在配置好的溶液中加入新型助剂(0.2g)，搅拌30min得到组分A。
(6)将组分A与聚酰胺以2：1的重量比混合，并在室温下以1500rpm/min搅拌30min。
(7)将涂层在室温下固化至表面干燥，然后在60℃条件下干燥12h。
对照例1
(1)将0.018g石墨烯、0.198g纳米SiO2和10g二甲苯分三次加入到环氧树脂分散体(30g)中，室温下搅拌30min以产生均匀溶液，得到组分A。
(2)将组分A与聚酰胺以2：1的重量比混合，并在室温下以1500rpm/min搅拌30min。
(3)将涂层在室温下固化至表面干燥，然后在60℃条件下干燥12h。
对照例2
(1)将0.018g氧化石墨烯和10g二甲苯分三次加入到环氧树脂分散体(30g)中，室温下搅拌30min以产生均匀溶液，得到组分A。
(2)将组分A与聚酰胺以2：1的重量比混合，并在室温下以1500rpm/min搅拌30min。
(3)将涂层在室温下固化至表面干燥，然后在60℃条件下干燥12h。
为进一步验证本发明提供的用于水工金属结构件的二维阻隔防护涂料的技术、材料的优越性，对采用上述实施例1～4的方法制备的二维阻隔防护涂料进行了各项性能检测，检测结果如下面表1所示。其中，产品在容器中的状态由技术人员肉眼观察得到，其他指标的具体操作方法及合格标准按照相关国家标准中的规定进行评判，表干(表面干燥)时间和实干(内外干燥)时间的检测方法参照GB1728-1979(1989)，附着力-拉开法的检测方法参照GBT-5210-1985。
表1本发明实施例制备的二维阻隔防护涂料各项性能
Figure BDA0004039702640000071
从上表以及图1至3可以看出，实施例1～4的方法制备的二维阻隔防护涂料无起泡、生锈、开裂、剥落现象，解决了水工金属构件在涂装后的涂层鼓泡的现象。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料，其特征在于：它包括以下重量份计的原料：环氧树脂分散体65-67份；固化剂31-35份；新型助剂0.2-0.45份；石墨烯基填料0.03-0.05份；无机氧化物纳米填料0.4-0.5份；溶剂8-12份。
2.根据权利要求1所述的用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料，其特征在于：所述环氧树脂分散体包括环氧树脂、脲醛树脂和异氰酸酯中的任意一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料，其特征在于：所述固化剂包括聚酰胺、脂肪胺中的任意一种或两种的组合。
4.根据权利要求1所述的用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料，其特征在于：所述石墨烯基填料包括石墨烯纳米片、氧化石墨烯纳米片（GO）和还原氧化石墨烯纳米片（rGO）中的任意一种或两种组合。
5.根据权利要求1所述的用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料，其特征在于：所述无机氧化物纳米填料包括氧化锌、纳米黏土、纳米鳞片、纳米蒙脱土和纳米SiO2中的任意一种或多种组合；所述溶剂为二甲苯。
6.根据权利要求1所述的用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料，其特征在于：所述新型助剂为儿茶酚修饰的壳聚糖粉末。
7.一种权利要求1-6任一项所述用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1：制备新型助剂：将壳聚糖溶解于去离子水中后加入乙酸，制成溶液；向制得的溶液中分别加入与壳聚糖等量的1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、3，4-二羟基苯乙酸和N-羟基琥珀酰亚胺，用乙酸溶液和氢氧化钠溶液调节pH值，反应一段时间后；然后在去离子水中进行透析，然后冷冻干燥，获得儿茶酚修饰的壳聚糖粉末；
S2：制备二维阻隔防护涂料：在石墨烯基填料和无机氧化物纳米填料中，加入环氧树脂分散体和溶剂中，搅拌均匀；向其中添加新型助剂，搅拌得到待反应溶液；
S3：制备二维阻隔防护涂层：将待反应溶液与固化剂混合，并在室温下搅拌，固化，干燥。
8.根据权利要求7所述的用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，将壳聚糖溶解于去离子水中后加入与壳聚糖等量的乙酸，制成壳聚糖浓度为0.02-0.04g/ml的溶液；向制得的溶液中分别加入与壳聚糖等量的1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、3，4-二羟基苯乙酸和N-羟基琥珀酰亚胺，用0.1mol/L乙酸溶液和0.01mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至5，在室温下反应12小时后；然后在去离子水中进行透析至pH值为7，然后冷冻干燥，获得儿茶酚修饰的壳聚糖粉末。
9.根据权利要求7所述的用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，将环氧树脂分散体、新型助剂、石墨烯基填料和无机氧化物纳米填料分散于溶剂中，所述分散过程在搅拌和超声条件下进行，所述分散时间为5~30min，搅拌速度为1000rpm。
10.一种权利要求1-6任一项所述用于水工金属构件的二维阻隔防护涂料应用于船舶、桥梁、海洋和河流湖泊设施水工环境下的金属构件表面防护领域中的用途。
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