新型石墨烯海洋防腐蝕涂料

*徐菲桐

(青島經濟技術開發區第一中學 山東 266555)

新型石墨烯海洋防腐蝕涂料

*徐菲桐

(青島經濟技術開發區第一中學 山東 266555)

在石墨烯中加入聚醚(PF-127)制成石墨烯水分散液,將其與水性環氧防腐涂料混合制成水性石墨烯防腐蝕涂料,然后制備水性石墨烯防腐涂層.通過分散性實驗、涂層表面形貌、力學性能分析測試、耐海水浸泡及中性鹽霧實驗證明該新型水性石墨烯防腐蝕涂料具有優異的涂層性能和耐腐蝕性能.

防腐蝕;石墨烯;PF-127;水性環氧防腐蝕涂料

1.前言

腐蝕是材料與環境反應而引起的材料破壞與變質,是金屬材料失效的主要原因,也是一個全球共同面對的問題.據估計,全球每年報廢的金屬設備中,因腐蝕造成的占總產量的30%.美國學者提出的quot;五倍定律quot;表明,只要把防腐工作做到位,這其中大量的損失可以減緩或避免.海洋腐蝕在所有腐蝕中所占比例超過1/3,且該數值逐年攀升,若不采取防護手段或防護措施不恰當,海洋腐蝕將對我國海洋經濟的發展造成極大阻礙.

在眾多的金屬腐蝕防護措施中,涂層防護是應用最廣泛的方法之一.傳統涂層受到自身材料性質及工藝的限制,對金屬基體的防護作用并不那么理想,個別性能突出的成本高,且大部分含鉛、鋅或鉻酸鹽等重金屬或有毒物質會帶來一定的環境污染風險,也消耗了大量的不可再生資源,不利于社會經濟的可持續發展,因此,開發新型長效環保的海洋防腐蝕涂料成為新的研究熱點.

石墨烯具有很大的比表面積、優異的導電性、超高的強度、韌性和屏蔽性等優點,使其在防腐蝕涂料中顯示出潛在的應用前景.石墨烯可在金屬表面與活性介質中形成致密的物理阻隔層,從而有效的阻隔水和氧氣等氣體分子的通過.石墨烯的高比表面積,使其表面附著力強,表面能大,有助于提高涂料的耐沖擊性能、耐摩擦性能、導熱性、耐候性及防腐性能.有關學者已將石墨烯/水性聚氨酯納米復合乳液和石墨烯/聚氨酯原位聚合的水性導電涂料應用到防腐蝕領域,但它們共同的缺點是通過氧化石墨烯再還原制得,制備過程復雜,且防腐蝕性不能滿足海洋條件下使用.

本文直接采用石墨烯加入PF-127制備出分散良好的石墨烯水分散液,從而制備出水性石墨烯環氧樹脂防腐蝕涂料,并通過一系列分析測試研究其涂層性能和防腐蝕性能.

2.實驗步驟

(1)石墨烯分散液的制備

在室溫條件下,在100mL燒杯中,用去離子水配制石墨烯水分散液50mL,濃度為10mg/mL.取50mL10mg/mL的石墨烯分散液置于100mL燒杯中加入5gPF-127,超聲10min使其分散均勻,得到水溶性的石墨烯分散液.

(2)水性石墨烯防腐蝕涂料的制備

取上述水溶性石墨烯分散液5.55g,按照石墨烯0.5%的添加量,加入到水性環氧防腐涂料(A組份)(10g)中,混合超聲60min,再加入水性環氧防腐涂料(B組份)(2.5 g),攪拌均勻,準備涂覆.

(3)防腐涂層的制備用框式涂布器將純水性環氧防腐蝕涂料、不添加PF-127的水性石墨烯防腐蝕涂料和添加PF-127的水性石墨烯防腐涂料均勻的涂覆于三組Q235碳鋼上,在空氣中固化48h后,其膜層厚度為120±5μm,分別將以上三組涂層命名為a、b和c,每組制備10個平行樣.

3.水性石墨烯防腐蝕涂層的性能測試

(1)涂層表面形貌測試

防腐蝕涂料的漆膜外觀一般要求漆膜平整光滑,無顆粒,無明顯的流掛、起泡、發花等弊病,則認為quot;漆膜外觀正常quot;.

(2)涂層的附著力測試

采用劃格法測定涂層附著力,參照標準GB/T9826《色漆和清漆漆膜的畫格經驗》,根據涂層脫落程度,對涂層進行附著力評級.

(3)耐性實驗

①耐海水浸泡試驗

本文主要考察涂層在天然海水中進行腐蝕掛片試驗,分別對樣品浸泡不同時間(浸泡15天、30天和60天)進行觀察,實驗參照GB-T8424-1996《金屬覆蓋層和有機涂層天然海水腐蝕試驗方法》.

②中性鹽霧實驗

中性鹽霧試驗是一種規范的國際標準試驗,本實驗參照GB/T6458-1986《金屬覆蓋層中性鹽霧試驗(NSS試驗)》進行,試驗時間為24、96、240和480h.

4.結果與討論

(1)分散性驗證

實驗表明,不加PF-127的分散液,石墨烯在水中分散性很差,大部分沉積在瓶底,上層為無色透明.加了PF-127的石墨烯水分散液,呈均一穩定的分散狀態.由此可見,PF-127增加了石墨烯在水中的分散性,有利于制備水性石墨烯/環氧防腐蝕涂料.

(2)涂層表面形貌測試

純環氧水性防腐蝕涂層,涂層表面,有微小的顆粒物,較為光滑;純石墨烯環氧防腐蝕涂層,有少量顆粒物,且流平不好;水性石墨烯環氧防腐蝕涂層,表面平整光滑,沒有缺陷.這證明水性石墨烯在環氧防腐涂層中具有良好的分散性.

(3)涂層的附著力測試

附著力測試結果表明,a涂層在切口交叉處有少許涂層脫落,但交叉切割面積不明顯大于5%,附著力等級為1級;b涂層在切口交叉處和沿切口邊緣有涂層脫落,受影響的交叉面積大于5%但小于15%,附著力等級為2級;c涂層切割邊緣完全平整,無一格脫落,附著力等級為0級.由此得出c附著力最強,b最次,a居中,這也是因為水性石墨烯在環氧涂層中良好的分散性造成的.

(4)耐性實驗

①耐海水浸泡試驗

圖1 涂層耐海水浸泡試驗照片

圖1為涂層耐海水浸泡試驗的照片.可以看出,經過15天浸泡,a涂層出現銹斑,略有變色和粉化的現象.b組涂層也出現銹斑,有輕微粉化和變色現象.c組涂層表現良好,無銹點,無變色和無粉化現象.30天后,a涂層銹斑數量增加,粉化和變色加重,并出現起泡;b涂層出現較大面積銹斑且變色較為嚴重;c有略微的變色和粉化現象.60天后,a組涂層粉化和變色再加重;b組涂層腐蝕已經相當嚴重,出現大面積銹蝕;c組涂層表現良好,略有銹斑和變色現象,無明顯起泡現象.綜上所述,在耐海水浸泡性能方面,c組最好,b組最差,雖然b組涂層添加了石墨烯,但是由于其在涂層中分散性差,從而導致涂層性能下降,比不添加石墨烯的a涂層性能還要差.

②耐鹽霧試驗

從耐中性鹽霧試驗結果得出,鹽霧試驗24h后,a涂層有輕微起泡現象,b涂層有部分銹斑,c涂層有少量銹跡出現;96h后,a涂層有起泡現象,并出現少量銹斑;b涂層銹斑增多,十字周圍腐蝕嚴重,有輕微起泡現象;c涂層出現較多銹斑,但無起泡現象.480h后,a涂層出現大量起泡現象,涂層基本失效;b組涂層腐蝕較為嚴重,涂層與基底有分離的跡象;c組涂層銹斑略有增加,無起泡現象.對比以上結果,c組耐鹽霧性最好,a組最差,這也表明添加了分散性良好的石墨烯有助于提高水性環氧涂層的防腐蝕性能.

5.結論

添加PF-127到石墨烯中制備出分散性良好的石墨烯分散液,然后加入到水性環氧涂料中制備水性石墨烯防腐蝕涂料.實驗結果表明,相對于純水性環氧防腐蝕涂料和不添加PF-127的石墨烯水性環氧防腐蝕涂料,該新型涂料具有附著力強、耐海水腐蝕能力強和耐中性鹽霧腐蝕能力強的優點,同時與目前廣泛應用的溶劑型涂料相比還具有環保的優勢,具有更廣泛的應用前景.

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[7]王耀文.聚苯胺與石墨烯的制備及其在防腐涂料中的應用[D].哈爾濱工程大學,2012.

徐菲桐,女,青島經濟技術開發區第一中學;研究方向:材料.

New Type of Graphene Marine Anti-corrosion Coatings

Xu Feitong
(No. 1 Middle School of Qingdao Economic and Technological Development Zone, Shandong, 266555)

The water-based graphene anti-corrosion coating was prepared by mixing the waterborne epoxy anti-corrosion coating with the graphene water dispersion, which is made by adding polyether ( PF- 127 ) into graphene. Through the dispersion experiment, coating surface morphology, mechanical properties analysis test, seawater immersion and neutral salt spray test to prove the new water-based graphene anti-corrosion coating has excellent coating and anti-corrosion performance.

anti-corrosion;graphene;PF- 127;waterborne epoxy anti-corrosion coating.

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