立体构造石墨烯粉体材料在氟碳树脂和丙烯酸树脂涂料中的应用研究

摘要

金属的防护在微电子、海洋工程设施设备、建筑、汽车和航空航天应用领域的寿命、可靠性和安全问题中起着至关重要的作用，因此具有很大的经济和生态上的意义。在这方面，通过使用具有阻隔性的保护涂层来进行保护通常是维护金属部件在预期生命周期中的功能的最合适的选择。氟碳涂料中存在的氟元素电负性大，碳氟C—F键能强，具有十分优越的各项防腐蚀性、耐气候性、耐玷污性等性能，应用于各类展馆、标志性建筑等领域。丙烯酸树脂具有耐气候性、耐沾污性，而且色浅透明性好，紫外线照射不易变色或者分解等优越的特点，在建筑、汽车、防腐和海洋防污等方面得到广泛应用，且价格便宜，原料来源丰富，这就为丙烯酸树脂涂料开发、生产和应用提供了可靠的保障。　　石墨烯作为一种纳米添加剂，由于其粒径小、疏水性好、导电性能好、导热性好、化学稳定性强等优点，在防护涂料中有着很好的应用前景。然而一般情况下，石墨烯在水和普通有机溶剂中很难分散，而且所用的石墨烯是否可以在保证质量的前提下规模化生产，能否降低生产成本都是需要解决的问题。为解决此难题，本工作所用的石墨烯材料是通过离子交换树脂裂解法制备的可以大批量生产的立体构造石墨烯粉体材料(3DG)，具有高的比表面积、高导电性、原料来源广泛，成本低，合成工艺简单，流程大大缩短，易规模化及工业化生产，本文使用此种石墨烯材料制备了KH550-3DG/氟碳树脂涂料和KH550-3DG/丙烯酸树脂涂料，测试复合涂料的性能。为石墨烯增强涂料规模化、工业化生产提供了一个方向和可能性。　　(1)制备了不同石墨烯掺量0.1％、0.3％、0.5％、1％的KH550-3DG/氟碳树脂涂料，研究了KH550-3DG材料增强氟碳树脂涂料的一些性能。结果表明:石墨烯的掺入对涂层物理性能和化学和电化学性能都有所增强。石墨烯在氟碳树脂涂料中分散均匀，未与氟碳树脂发生化学反应生成新的官能团。对氟碳树脂的热稳定性有所提高，石墨烯含量0.1％的氟碳树脂涂料热分解温度就得到很大程度的提高。石墨烯掺量为0.1％的热焓最大。涂层的硬度在0.1％时提高程度很大，耐冲击性和耐磨性在石墨烯掺量为0.1％时有最大程度的提高，而氟碳涂层的耐腐蚀性耐酸性、耐碱性、耐盐水性以及氟碳涂层的耐盐雾试验，石墨烯的掺入大大提高了涂层的耐腐蚀性能，而石墨烯掺量的多少对耐腐蚀性能影响不大，优选石墨烯掺量为0.1％的氟碳涂层作为防腐的最佳掺量，这一点从极化曲线和阻抗图谱中得到验证。　　(2)制备了不同石墨烯掺量0.1％、0.3％、0.5％、1％的KH550-3DG/丙烯酸树脂涂料，研究了KH550-3DG材料增强丙烯酸树脂涂料的一些性能。结果表明:石墨烯的掺入对涂层物理性能和化学和电化学性能都有所提高。石墨烯在丙烯酸树脂涂料中分散均匀，未与丙烯酸树脂发生化学反应生成新的官能团。对丙烯酸树脂的热稳定性有所提高，石墨烯掺量为1％的丙烯酸树脂的热分解温度比纯丙烯酸树脂提高最多，提高了6℃，石墨烯掺量为0.3％的热焓最大，0.1％时也有很大程度的提高。涂层的硬度、耐冲击性和耐磨性在石墨烯掺量为0.1％时有最大程度的提高，而丙烯酸树脂涂层的耐腐蚀性耐酸性、耐碱性、耐盐水性以及耐盐雾试验，石墨烯的掺入大大提高了涂层的耐腐蚀性能，从极化曲线和阻抗图谱中定量分析得以验证。从成本以及综合性能分析得出石墨烯掺量为0.1％的丙烯酸树脂涂层的综合性能效果最好。　　(3)文中结合对涂层做了SEM形貌和FTIR红外光谱官能团的分析，以及石墨烯在涂料中的显微分散图，分析了其防腐机理。　　根据液体显微分散图可以分析出石墨烯均匀分散在涂料中，把整个复合材料内部结构分成许许多多的小间，这就形成了腐蚀介质的阻碍荆棘，腐蚀介质要想接触金属基板，必须绕过层层阻碍，增加了腐蚀的难度，O2和H2O分子渗透速率大大降低。　　根据SEM图分析，把无序的石墨烯氟碳树脂结构改组为有序的状态，层层叠加，形成致密的结构形态，使得腐蚀介质更难进入金属基板。　　屏蔽作用:很好的疏水性，增加了腐蚀介质浸润表面的难度，减少或阻止腐蚀介质的浸入，起到屏蔽腐蚀介质的作用。　　钝化作用:涂料中石墨烯添加剂在阳极区域的反应会发生钝化，从而保护了金属材料，进一步对金属是一种钝化保护作用。　　电化学防腐作用:钢铁底材阳极反应使Fe失去电子逐步腐蚀，石墨烯的导电性能可以阻止Fe→Fe3+反应，防止铁锈生成。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2涂料概况

1．2．1涂料简介

1．2．2涂料的分类

1．2．3涂料的历史

1．2．4金属腐蚀原理

1．2．5涂料防腐蚀机理

1．3氟碳树脂和丙烯酸树脂涂料的研究现状

1．3．1氟碳涂料的简介

1．3．2丙烯酸树脂涂料简介

1．4石墨烯有机复合材料研究现状

1．4．1石墨烯简介

1．4．2石墨烯有机复合材料国外研究现状

1．4．3石墨烯有机复合材料国内研究现状

1．5本论文的研究内容及思路

第二章实验仪器材料与方法

2．1实验材料与药品

2．2主要实验仪器和设备

2．3常规表征方法

2．3．1扫描电镜形貌分析(SEM)

2．3．2石墨烯在涂料中的分散性研究

2．3．3傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)

2．4．1厚度

2．4．2附着力

2．4．3硬度

2．4．4耐冲击性

2．4．5耐摩擦性

2．5电化学表征方法

2．5．1耐酸耐碱性

2．5．2耐盐水性

2．5．3酸性盐雾实验

2．5．4极化曲线测试

2．5．5阻抗图谱测试

第三章改性立体构造石墨烯粉体材料在氟碳涂料中的应用研究

3．1前言

3．2实验过程

3．2．1改性立体构造石墨烯粉体材料的制备

3．2．2涂料的制备

3．2．3涂层的制备

3．3常规表征方法

3．4物理表征方法

3．5电化学表征方法

3．6结果与讨论

3．6．2石墨烯在氟碳涂料中的分散性研究

3．6．3对样品断面扫描电镜SEM分析

3．6．4 FTIR、TGA和DSC分析

3．6．5附着力、铅笔硬度、耐冲击性、耐磨性分析

3．6．6耐酸性、耐碱性、耐盐水性分析

3．6．7对防腐涂层冰醋酸加速盐雾实验样品对比

3．6．8极化曲线和阻抗图谱测试分析

3．7本章小结

第四章改性立体构造石墨烯粉体材料在丙烯酸树脂涂料中的应用研究

4．1前言

4．2实验过程

4．2．1涂料的制备

4．2．2涂层的制备

4．3常规表征方法

4．4物理表征方法

4．5电化学表征方法

4．6结果与讨论

4．6．1石墨烯材料在丙烯酸树脂涂料中的分散性研究

4．6．2对样品断面扫描电镜SEM分析

4．6．3 FTIR、TGA和DSC分析

4．6．4附着力、铅笔硬度、耐冲击性、耐磨性分析

4．6．5耐酸性、耐碱性、耐盐水性分析

4．6．6对防腐涂层冰醋酸加速盐雾实验样品对比

4．6．7极化曲线和阻抗图谱测试分析

4．7本章小结

第五章结论与展望

5．1结论

5．2工作展望

参考文献

致谢

附录