新型石墨烯海洋防腐蚀涂料

*徐菲桐

(青岛经济技术开发区第一中学 山东 266555)

新型石墨烯海洋防腐蚀涂料

*徐菲桐

(青岛经济技术开发区第一中学 山东 266555)

在石墨烯中加入聚醚(PF-127)制成石墨烯水分散液,将其与水性环氧防腐涂料混合制成水性石墨烯防腐蚀涂料,然后制备水性石墨烯防腐涂层.通过分散性实验、涂层表面形貌、力学性能分析测试、耐海水浸泡及中性盐雾实验证明该新型水性石墨烯防腐蚀涂料具有优异的涂层性能和耐腐蚀性能.

防腐蚀;石墨烯;PF-127;水性环氧防腐蚀涂料

1.前言

腐蚀是材料与环境反应而引起的材料破坏与变质,是金属材料失效的主要原因,也是一个全球共同面对的问题.据估计,全球每年报废的金属设备中,因腐蚀造成的占总产量的30%.美国学者提出的quot;五倍定律quot;表明,只要把防腐工作做到位,这其中大量的损失可以减缓或避免.海洋腐蚀在所有腐蚀中所占比例超过1/3,且该数值逐年攀升,若不采取防护手段或防护措施不恰当,海洋腐蚀将对我国海洋经济的发展造成极大阻碍.

在众多的金属腐蚀防护措施中,涂层防护是应用最广泛的方法之一.传统涂层受到自身材料性质及工艺的限制,对金属基体的防护作用并不那么理想,个别性能突出的成本高,且大部分含铅、锌或铬酸盐等重金属或有毒物质会带来一定的环境污染风险,也消耗了大量的不可再生资源,不利于社会经济的可持续发展,因此,开发新型长效环保的海洋防腐蚀涂料成为新的研究热点.

石墨烯具有很大的比表面积、优异的导电性、超高的强度、韧性和屏蔽性等优点,使其在防腐蚀涂料中显示出潜在的应用前景.石墨烯可在金属表面与活性介质中形成致密的物理阻隔层,从而有效的阻隔水和氧气等气体分子的通过.石墨烯的高比表面积,使其表面附着力强,表面能大,有助于提高涂料的耐冲击性能、耐摩擦性能、导热性、耐候性及防腐性能.有关学者已将石墨烯/水性聚氨酯纳米复合乳液和石墨烯/聚氨酯原位聚合的水性导电涂料应用到防腐蚀领域,但它们共同的缺点是通过氧化石墨烯再还原制得,制备过程复杂,且防腐蚀性不能满足海洋条件下使用.

本文直接采用石墨烯加入PF-127制备出分散良好的石墨烯水分散液,从而制备出水性石墨烯环氧树脂防腐蚀涂料,并通过一系列分析测试研究其涂层性能和防腐蚀性能.

2.实验步骤

(1)石墨烯分散液的制备

在室温条件下,在100mL烧杯中,用去离子水配制石墨烯水分散液50mL,浓度为10mg/mL.取50mL10mg/mL的石墨烯分散液置于100mL烧杯中加入5gPF-127,超声10min使其分散均匀,得到水溶性的石墨烯分散液.

(2)水性石墨烯防腐蚀涂料的制备

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,加入到水性环氧防腐涂料(A组份)(10g)中,混合超声60min,再加入水性环氧防腐涂料(B组份)(2.5 g),搅拌均匀,准备涂覆.

(3)防腐涂层的制备用框式涂布器将纯水性环氧防腐蚀涂料、不添加PF-127的水性石墨烯防腐蚀涂料和添加PF-127的水性石墨烯防腐涂料均匀的涂覆于三组Q235碳钢上,在空气中固化48h后,其膜层厚度为120±5μm,分别将以上三组涂层命名为a、b和c,每组制备10个平行样.

3.水性石墨烯防腐蚀涂层的性能测试

(1)涂层表面形貌测试

防腐蚀涂料的漆膜外观一般要求漆膜平整光滑,无颗粒,无明显的流挂、起泡、发花等弊病,则认为quot;漆膜外观正常quot;.

(2)涂层的附着力测试

采用划格法测定涂层附着力,参照标准GB/T9826《色漆和清漆漆膜的画格经验》,根据涂层脱落程度,对涂层进行附着力评级.

(3)耐性实验

①耐海水浸泡试验

本文主要考察涂层在天然海水中进行腐蚀挂片试验,分别对样品浸泡不同时间(浸泡15天、30天和60天)进行观察,实验参照GB-T8424-1996《金属覆盖层和有机涂层天然海水腐蚀试验方法》.

②中性盐雾实验

中性盐雾试验是一种规范的国际标准试验,本实验参照GB/T6458-1986《金属覆盖层中性盐雾试验(NSS试验)》进行,试验时间为24、96、240和480h.

4.结果与讨论

(1)分散性验证

实验表明,不加PF-127的分散液,石墨烯在水中分散性很差,大部分沉积在瓶底,上层为无色透明.加了PF-127的石墨烯水分散液,呈均一稳定的分散状态.由此可见,PF-127增加了石墨烯在水中的分散性,有利于制备水性石墨烯/环氧防腐蚀涂料.

(2)涂层表面形貌测试

纯环氧水性防腐蚀涂层,涂层表面,有微小的颗粒物,较为光滑;纯石墨烯环氧防腐蚀涂层,有少量颗粒物,且流平不好;水性石墨烯环氧防腐蚀涂层,表面平整光滑,没有缺陷.这证明水性石墨烯在环氧防腐涂层中具有良好的分散性.

(3)涂层的附着力测试

附着力测试结果表明,a涂层在切口交叉处有少许涂层脱落,但交叉切割面积不明显大于5%,附着力等级为1级;b涂层在切口交叉处和沿切口边缘有涂层脱落,受影响的交叉面积大于5%但小于15%,附着力等级为2级;c涂层切割边缘完全平整,无一格脱落,附着力等级为0级.由此得出c附着力最强,b最次,a居中,这也是因为水性石墨烯在环氧涂层中良好的分散性造成的.

(4)耐性实验

①耐海水浸泡试验

图1 涂层耐海水浸泡试验照片

图1为涂层耐海水浸泡试验的照片.可以看出,经过15天浸泡,a涂层出现锈斑,略有变色和粉化的现象.b组涂层也出现锈斑,有轻微粉化和变色现象.c组涂层表现良好,无锈点,无变色和无粉化现象.30天后,a涂层锈斑数量增加,粉化和变色加重,并出现起泡;b涂层出现较大面积锈斑且变色较为严重;c有略微的变色和粉化现象.60天后,a组涂层粉化和变色再加重;b组涂层腐蚀已经相当严重,出现大面积锈蚀;c组涂层表现良好,略有锈斑和变色现象,无明显起泡现象.综上所述,在耐海水浸泡性能方面,c组最好,b组最差,虽然b组涂层添加了石墨烯,但是由于其在涂层中分散性差,从而导致涂层性能下降,比不添加石墨烯的a涂层性能还要差.

②耐盐雾试验

从耐中性盐雾试验结果得出,盐雾试验24h后,a涂层有轻微起泡现象,b涂层有部分锈斑,c涂层有少量锈迹出现;96h后,a涂层有起泡现象,并出现少量锈斑;b涂层锈斑增多,十字周围腐蚀严重,有轻微起泡现象;c涂层出现较多锈斑,但无起泡现象.480h后,a涂层出现大量起泡现象,涂层基本失效;b组涂层腐蚀较为严重,涂层与基底有分离的迹象;c组涂层锈斑略有增加,无起泡现象.对比以上结果,c组耐盐雾性最好,a组最差,这也表明添加了分散性良好的石墨烯有助于提高水性环氧涂层的防腐蚀性能.

5.结论

添加PF-127到石墨烯中制备出分散性良好的石墨烯分散液,然后加入到水性环氧涂料中制备水性石墨烯防腐蚀涂料.实验结果表明,相对于纯水性环氧防腐蚀涂料和不添加PF-127的石墨烯水性环氧防腐蚀涂料,该新型涂料具有附着力强、耐海水腐蚀能力强和耐中性盐雾腐蚀能力强的优点,同时与目前广泛应用的溶剂型涂料相比还具有环保的优势,具有更广泛的应用前景.

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[5]康永,艾江.石墨烯涂料产业发展现状及未来趋势[J].乙醛醋酸化工,2015.

[6]刘国杰.石墨烯研究进展及在水性涂料中应用简况[J].中国涂料,2015.

[7]王耀文.聚苯胺与石墨烯的制备及其在防腐涂料中的应用[D].哈尔滨工程大学,2012.

徐菲桐,女,青岛经济技术开发区第一中学;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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