改性氧化石墨烯/环氧树脂复合涂层材料的制备及其防腐性能研究

摘要

腐蚀现象遍及国民经济和国防建设各个领域，石墨烯作为一种理想的二维片状纳米材料，在防腐功能涂料中有着非常诱人的潜在前景，而涂层保护是腐蚀控制最常用也是最直接的保护措施。本论文从氧化石墨烯出发，结合纳米材料和环氧树脂的优点，以氧化石墨烯(GO)为研究对象，通过硅烷偶联剂将两种不同的无机纳米粒子(纳米氧化锆、纳米氧化钛)接枝到GO表面，制备了不同质量比的 GO-ZrO2和 GO-TiO2复合材料；然后将制备的复合材料加入到环氧树脂中制备了环氧树脂涂层材料，对涂层的力学性能及防腐蚀性能进行研究，并探讨了涂层的耐蚀机理。结论如下：
　　(1)通过改进的 Hummer法制备了 GO并进行表征，其结果表明制备的氧化石墨烯片层较薄，且表面有大量的含氧官能团；利用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)将纳米氧化锆(ZrO2)接枝到 GO表面，并根据不同质量比(MGO:Mf-ZrO2)制备了 GO-ZrO2(2:1)，GO-ZrO2(3:1)，GO-ZrO2(4:1)复合材料，通过傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)测试，结果表明纳米 ZrO2成功接枝到 GO表面，并且 GO在环氧树脂中的分散性和相容性得到很大改善，其中 GO-ZrO2(3:1)在环氧树脂中分散性最好；涂层的力学性能测试结果表明加入2wt.％的GO-ZrO2(3:1)的涂层附着力达到0级，耐冲击50cm无裂痕，硬度为3H；电化学交流阻抗(EIS)测试结果表明，加入2wt.%GO-ZrO2(3:1)的复合环氧树脂涂料耐蚀性最好，浸泡20d后涂层的阻抗值保持在109Ω·cm2左右；涂层 Tafel曲线表明，GO-ZrO2(3:1)/EP涂层腐蚀电位最高，为-0.210V，腐蚀电流最低，为1.97×10-7A；不同填料对涂层的最低阻抗膜值的影响表明，加入GO-ZrO2复合材料的涂层阻抗值随时间下降比较缓慢，浸泡25天后，阻抗膜值均保持在108Ω·cm2以上，其中 GO-ZrO2(3:1)/EP涂层的阻抗膜值最大，稳定在1.0×109Ω·cm2左右；耐盐雾实验结果表明 GO-ZrO2(3:1)/EP复合涂层经过360h中性耐盐雾实验，划痕两侧无起泡无腐蚀，耐蚀效果最好。
　　(2)利用APTS将纳米TiO2接枝到GO表面，并根据不同质量比(MGO:Mf-TiO2)制备了 GO-TiO2(2:1)， GO-TiO2(3:1)， GO-TiO2(4:1)复合材料，通过 FT-IR、XRD、SEM测试，结果表明纳米TiO2成功接枝到GO表面，并且大大的改善了GO在环氧树脂中的分散性和相容性，其中GO-TiO2(2:1)在环氧树脂中分散性最好；涂层的力学性能测试结果表明加入2wt.%的 GO-TiO2(2:1)的涂层附着力达到1级，耐冲击50cm无裂痕，硬度为2H；EIS结果表明，加入2wt.%GO-TiO2(2:1)复合环氧树脂涂料耐蚀性最好，浸泡20d涂层的阻抗值保持在109Ω·cm2左右；涂层Tafel曲线结果表明，GO-TiO2(2:1)/EP涂层腐蚀电位最高，为-0.439V，腐蚀电流最低，为7.94×10-9A；不同填料对涂层的最低频率阻抗膜值的影响表明，加入 GO-TiO2复合材料的涂层阻抗值随时间下降比较缓慢，浸泡25天后，阻抗膜值均保持在108Ω·cm2以上，其中GO-TiO2(2:1)/EP涂层的阻抗膜值最大，稳定在1.1×109Ω·cm2左右；耐盐雾实验结果表明 GO-TiO2(2:1)/EP复合涂层经过360h中性耐盐雾实验，划痕两侧无起泡无腐蚀，耐蚀效果最好。
　　(3)利用 APTS和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTS)将纳米 ZrO2接枝到 GO表面，并根据不同质量比(MGO:Mf-ZrO2)制备了 dGO-ZrO2(2:1)，dGO-ZrO2(3:1)，dGO-ZrO2(4:1)的复合材料，通过 FT-IR、XRD、SEM测试，结果表明纳米 ZrO2成功接枝到 GO表面，并且大大的提高了 GO在环氧树脂中的分散性和相容性，其中 dGO-ZrO2(3:1)在环氧树脂中分散性最好；涂层的力学性能测试结果表明加入2wt.%的 dGO-ZrO2(3:1)的附着力达到1级，耐冲击50cm无裂痕，硬度为3H；EIS测试结果表明，加入2wt.% dGO-ZrO2(3:1)的涂层耐蚀性最好，浸泡20d涂层的阻抗值保持在109Ω·cm2左右；涂层Tafel曲线可以看出， dGO-ZrO2(3:1)/EP涂层腐蚀电位最高，为-0.163V，腐蚀电流最低，为8.71×10-9A；不同填料对涂层的最低阻抗膜值的影响表明，加入 dGO-ZrO2复合材料的涂层阻抗值下降比较缓慢，其他涂层阻抗值下降较快，浸泡25天后，阻抗膜值均保持在108Ω·cm2以上，其中 dGO-ZrO2(3:1)/EP涂层的阻抗膜值最大，稳定在2.3×109Ω·cm2左右；耐盐雾实验结果表明 dGO-ZrO2(3:1)/EP复合涂层经过480h中性耐盐雾实验，划痕两侧无起泡无腐蚀，耐蚀效果最好。

目录

1绪论

1.1前言

1.2涂层材料概述

1.3氧化石墨烯概述

1.4环氧树脂概述

1.5氧化石墨烯及石墨烯在聚合物基复合涂层材料的研究进展

1.6本论文的研究目的和意义

1.7本课题的主要研究内容

2 GO-ZrO2/环氧树脂复合涂层材料的制备与性能表征

2.1引言

2.2实验部分

2.3测试与表征

2.4结果与讨论

2.5 GO-ZrO2/环氧树脂复合涂层材料防腐机理探讨

2.6本章小结

3 GO-TiO2/环氧树脂复合涂层材料的制备与性能表征

3.1引言

3.2实验部分

3.3测试与表征

3.4结果与讨论

3.5本章小结

4 dGO-ZrO2/环氧树脂复合涂层材料的制备与性能表征

4.1引言

4.2实验部分

4.3测试与表征

4.4结果与讨论

4.5本章小结

结论

参考文献

致谢

硕士期间成果