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      2. 前沿 | 石墨烯水性復合防腐涂料的研究進展
        資訊類型:行業新聞 加入時間:2018年10月25日21:45
        隨著人們環保意識的不斷提高,世界各國對防腐涂料的發展提出越來越多的要求,防腐涂料正向高性能化、功能化、綠色化的方向發展,特別是發展水性涂料已成為重防腐蝕涂料的重要發展方向。

        石墨烯是世上最薄的防腐蝕材料,可用于金屬防護,有關石墨烯在防腐領域的研究吸引了世界各國研究者的關注。大量的研究結果表明,石墨烯超大的比表面積、優良的阻隔性、高的化學穩定性及良好的導電性等性能,對于防腐涂料綜合性能具有較強的提升作用,如增強涂層對基材的附著力,提升涂料的耐磨性和防腐性,同時具有環保安全、無二次污染等特性。

        近年來,基于石墨烯的防腐應用研究主要集中在純石墨烯防腐涂層以及石墨烯復合防腐涂層。純石墨烯涂層一般通過化學氣相沉積(CVD)方法、機械轉移法、噴霧法等方法,將純石墨烯覆蓋到銅、鎳等金屬基材表面,利用石墨烯自身二維片層結構層層疊加形成的致密隔絕層對金屬進行防護。然而,單純使用石墨烯防腐蝕涂層具有很多局限性:對石墨烯品質要求高,一旦薄膜有輕微的缺陷便會加劇金屬腐蝕,只能提供短時間的抗氧化腐蝕效能;對金屬基底可選擇的不多,對設備要求高;難以大規模、大面積制備,難以產業化。

        與純石墨烯防腐涂料相比,石墨烯復合防腐涂料能夠兼顧石墨烯優異的化學穩定性、快速導電性、突出的力學性能和聚合物樹脂的強附著力、成膜性,可協同提高涂料的綜合性能。另外,石墨烯復合防腐涂料的制備方法和涂覆工藝等都可建立在傳統涂料生產的工藝基礎上,在工業化合成和產業化應用中表現出很好的可控性和施工性。因此,石墨烯復合防腐涂料將是未來新型防腐蝕涂層材料的新生力量。

        目前,石墨烯復合防腐涂料的研究主要以溶劑型復合材料為主,因含有大量的有毒重金屬和揮發性有機物質(VOC),溶劑型防腐涂料的發展受到越來越多的限制。隨著人們環保意識的不斷提高,世界各國對防腐涂料的發展提出越來越多的要求,防腐涂料正向高性能化、功能化、綠色化的方向發展,特別是發展水性涂料已成為重防腐蝕涂料的重要發展方向。我國涂料行業“十二五”規劃明確指出,將水性防腐涂料向重防腐領域推廣,涂料行業“十三五”規劃亦將大力發展高固體分和水性等環境友好型涂料作為重點研發項目。

        因此,加快石墨烯在水性防腐涂料中的應用研究,開發低成本、高性能、綠色環保的新型石墨烯水性復合防腐涂料,對于加快水性涂料的轉型,推動環保型重防腐涂料的發展進程,具有深遠的戰略意義和廣闊的發展前景。因此,本文將著重介紹石墨烯的防腐機制、石墨烯水性復合防腐涂料的研究進展以及石墨烯在水性涂料實際應用中所面臨的難點。

        1 石墨烯防腐機理

        石墨烯本身具有的獨特結構性質,使其在物理防腐和電化學防腐方面都展現出一定的優勢。石墨烯的片層結構層層疊加、交錯排列,在涂層中可形成“迷宮式”屏蔽結構,能夠有效抑制腐蝕介質的浸潤、滲透和擴散,提高涂層的物理阻隔性。

        同時,由于其小尺寸效應,石墨烯可以填充到涂層的缺陷當中,減少涂層孔隙率,增強涂層致密性,進一步延緩或阻止腐蝕因子浸入到基體表面。石墨烯層與層之間有良好的潤滑作用,石墨烯的片層結構可以將涂層分割成許多小區間,能夠有效地降低涂層內部應力,消耗斷裂能量,進而提高涂層的柔韌性、抗沖擊性和耐磨性。

        另外,石墨烯的共軛結構使其具有很高的電子遷移率,表現出良好的導電性,同時,其片層結構亦能夠保證涂層間有較好的電化學接觸,形成導電網絡,提供更佳的電化學保護。

        2 石墨烯在水性復合防腐涂料中的應用

        水性涂料因低污染、易凈化、無刺激等特點,成為涂料行業大力發展的綠色環保型涂料。目前全國各地正加快進行油改水的進程,但水性涂料的防護效果仍比不上其對應的溶劑型涂料,導致其在重防腐領域中的應用程度仍然不高。

        水性涂料存在一些技術性的問題:由于成膜機理的不同,與溶劑型涂料相比,水性防腐涂料難以形成組成高度均一、結構高度完整的高質量涂層,其成膜性、耐磨蝕性能不好;水性防腐涂料中殘留的水性基團使其對水、氧氣等腐蝕介質的屏蔽能力差;因水的表面張力大,水性涂層難以達到對顏填料的高度浸潤和分散,因此改善水性涂料的防腐性已成為環保涂料發展中的重點。

        石墨烯具有的獨特性能,為改善水性涂料的致密性、阻隔性、機械性能以及防腐性能帶來新的改進途徑。近年來,石墨烯的制備、功能化改性以及石墨烯聚合物納米復合材料的研究進展顯著,通過溶液或熔融共混、原位聚合等方法制備的溶劑型復合防腐涂料所展現出的效果亦被證實可行,這些為石墨烯水性復合防腐涂料的應用開發提供了研究依據,并帶來了新的可能。

        2.1 石墨烯水性聚氨酯防腐涂料

        水性聚氨酯(WPU)具有溶劑型聚氨酯的性能,又克服了溶劑揮發對環境的污染。但是WPU 的熱穩定性、耐溶劑性及力學性能等較差,影響其應用范圍,因此為了提供WPU 的綜合性能,通常要對其進行交聯改性、環氧樹脂改性、有機硅改性以及無機納米材料(SiO2、TiO2、CNTs)改性等。

        石墨烯作為新的高性能納米增強體,使聚氨酯的耐水性、熱性能、力學性能均有不同程度的提升。Yoon 等利用共混法將異氰酸烯丙酯改性后的氧化石墨烯(iGO)與WPU進行復合,經考察,復合物的拉伸強度、玻璃化轉變溫度和熱穩定性能都有顯著提高。

        Yang 等將氧化石墨烯(GO)、還原型氧化石墨烯(RGO)以及功能化的石墨烯衍生物作為無機納米填料添加到水性聚氨酯(PU)防腐涂料中,結合鹽霧試驗、電化學阻抗(EIS)表征手段,詳細考察了石墨烯的表面化學狀態、分散狀態以及用量等因素對PU 復合涂層耐蝕性能的影響。結果表明,質量分數為0.2%的RGO對PU 復合涂層的耐腐蝕性能具有最優異的增強效果。

        Chen 等發現在熱塑性聚氨酯(TPU)中加入少量的磺化石墨烯后,復合材料的楊氏模量提高了120%。
        文章來自:中國防腐涂料網
        文章作者:網絡管理員
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