酒石酸改性氧化石墨烯对环氧树脂的抗磨耐蚀性能影响

摘要

氧化石墨烯是石墨烯的氧化衍生物，具有强度高、韧性好、润滑效果优异等特点。氧化石墨烯具有与石墨烯类似的蜂窝状二维平面片层结构，且氧化石墨烯片层表面及边缘含有丰富的含氧官能团，这些含氧官能团既能与聚合物或芳香族小分子以非共价键形式结合，以提高氧化石墨烯与其他材料的相容性，也能作为共价键修饰的反应位点，使氧化石墨烯能有效接枝在聚合物基体上。现有研究已证明氧化石墨烯在润滑油、水泥中能起到一定的减摩润滑作用，但因为氧化石墨烯在树脂中易团聚难分散，因而目前氧化石墨烯在涂料领域中的应用研究发展缓慢。
　　本文针对氧化石墨烯与树脂相容性差的问题，先选取葡萄酒生产、加工过程中常见的副产物酒石酸作为改性剂与氧化石墨烯进行反应，然后将改性氧化石墨烯应用到环氧树脂中，以观测其对环氧树脂涂层抗磨耐蚀性能的影响，最后依据改性氧化石墨烯的结构分析造成环氧树脂抗磨耐蚀性能变化的原因。本研究具体内容包括:一，利用酒石酸作为改性剂与氧化石墨烯进行反应以制备酒石酸改性氧化石墨烯，并依据表征结果推导酒石酸改性氧化石墨烯的反应机理;二，测定E20、E44、E51三种常见环氧树脂的环氧值、电化学性能及摩擦学性能，分析环氧值变化对摩擦学性能和电化学性能的影响;三、以机械搅拌的方式制备酒石酸改性氧化石墨烯/环氧树脂复合材料并喷涂成膜，分析复合涂层的摩擦学及电化学行为，研究酒石酸改性氧化石墨烯对环氧树脂抗磨耐蚀性能的影响，并以酒石酸改性氧化石墨烯的结构为依据分析造成环氧树脂抗磨耐蚀性能变化的原因。其研究结果如下:
　　1、酒石酸改性氧化石墨烯具有二维平面结构，与氧化石墨烯相比，羟基含量由4.9％升至9.4％，sp2杂化碳含量由41.8％升至62.5％，羧基含量则由53.3％降至21.9％左右，而酯键含量则由0％升至6.2％左右;
　　2、酒石酸改性氧化石墨烯的改性机理为:酒石酸上的羧基和氧化石墨烯上的羟基间发生酯化反应，脱去一分子水并将酒石酸剩余部分接枝到氧化石墨烯上;
　　3、随着环氧值的升高，涂层的抗电化学腐蚀性能随之提高，涂层摩擦系数、磨损率均会增大;
　　4、酒石酸改性氧化石墨烯具有更好的电化学腐蚀抗性，当酒石酸改性氧化石墨烯添加量为2.0％时，tGO/EP复合涂层的涂层电容最小;当酒石酸改性氧化石墨烯添加量为0.5％时，tGO/EP复合涂层的涂层电阻及电荷转移电阻最小;当酒石酸改性氧化石墨烯添加量为1.0％时，tGO/EP复合涂层的双层电容最小;
　　5、酒石酸改性氧化石墨烯具有更好的减摩效果，当酒石酸改性氧化石墨烯添加量为1.0％～1.5％时，其摩擦系数在0.46～0.48之间，摩擦系数减少约26％;磨痕截面积在0.0093 mm2左右，比环氧树脂磨痕截面积要下降约80.1％;在该范围内磨损面致密光滑，无明显裂纹及犁沟;
　　6、酒石酸改性氧化石墨烯具有优异的摩擦学性能的原因为:酒石酸改性氧化石墨烯保留二维平面结构且片层更为平滑，有利于降低波纹毯效应，且改性增大sp2杂化碳含量，降低含氧官能团所占比重，使复合材料面外刚度降低，由sp2杂化碳传导至sp3键时造成的摩擦能损耗减小。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 氧化石墨烯

1．2．1 概述

1．2．2 氧化石墨烯的结构

1．2．3 氧化石墨烯的功能化修饰

1．3 环氧树脂

1．3．1 环氧树脂的分类

1．3．2 环氧树脂的性能

1．3．3 环氧树脂的应用

1．3．4 环氧树脂改性研究进展

1．3．5 环氧树脂改性存在的问题

1．4 改性氧化石墨烯-环氧树脂复合材料的研究

1．5 本课题的主要内容及目的

2 酒石酸改性氧化石墨烯的制备及表征

2．1 引言

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器及设备

2．2．3 实验方法

2．2．4 样品测试表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 扫描电镜

2．3．2 红外光谱分析

2．3．3 热重分析

2．3．4 XPS分析

2．4 反应机理分析

2．5 本章小结

3 不同环氧值的环氧树脂抗磨耐蚀性能分析

3．1 引言

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器及方法

3．2．3 环氧值的滴定

3．3 涂层的制备

3．4 涂层的结构和性能表征

3．5 结果与讨论

3．5．1 环氧值测定

3．5．2 红外光谱分析

3．5．3 XPS分析

3．5．4 纳米硬度

3．5．5 涂层热失重测试结果分析

3．6 涂层防腐性能的研究

3．6．1 电化学极化曲线

3．6．2 电化学阻抗谱

3．7 涂层摩擦学性能的研究

3．8 本章小结

4 酒石酸改性氧化石墨烯对环氧树脂的抗磨耐蚀性能分析

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 主要试剂

4．2．2 实验仪器及方法

4．3．1 基片的预处理

4．3．2 复合涂层的制备

4．4 涂层的结构和性能表征

4．5．1 XPS分析

4．5．2 涂层的断面形貌分析

4．6．1 电化学极化曲线

4．6．2 电化学阻抗谱

4．7 涂层摩擦学性能的研究

4．8 本章小结

5 总结

参考文献

攻读学位期间的主要学术成果

致谢