石墨烯型防腐涂料的制备及性能研究
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摘 要：制备了一种由石墨烯、聚四氟乙烯、环氧树脂等作为主要成分的石墨烯型防腐涂料，然后通过喷涂的方式将石墨烯型防腐涂料在测试样件表面成膜，并研究了该防腐涂料的附着力性能、耐冲击性能、耐盐雾及耐水性能。结果表明：石墨烯型防腐涂料的附着力为1级，耐冲击性能为100 cm，耐盐雾及耐水性能较好，因此该防腐涂料具有较好的防腐效果。
关 键 词：防腐涂料;石墨烯;附着力;耐冲击;耐盐雾;耐水性
中图分类号：TQ 050.4 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）08-1647-04
Abstract： Grapheme，polytetrafluoroethylene and epoxy resin were used as main components to prepare grapheme-type anticorrosive coatings， and then it was sprayed to the test sample surface to study the properties of the anticorrosive coatings. The results showed that the adhesion and impact resistance of the anticorrosive coatings were 1 level and 100 cm， and the anticorrosive coatings had good resistance to salt spray and water.
Key words： Anticorrosive coatings; Grapheme; Adhesion; Impact resistance; Resistance to salt spray; Resistance to water
随着世界各国经济的快速发展，国家与国家之间的竞争力越来越大，国家之間的竞争除了依靠科技、国防和经济之外，海洋战略越来越受到世界各国的重点关注，海洋运输、远洋探测、船舶与深海能源的开发、海洋新能源等行业的迅速发展，对在海洋环境下具有防腐性能的防腐涂料要求越来越高[1-4]，因此研究新型的海洋环境下的防腐涂料越来越有一定的必要性，特别是在海洋环境中所经受的严重的盐雾和冲击条件下的防腐涂料的各方面性能尤其重要。
目前在海洋防腐涂料领域研究较多的为聚合物基防腐涂料，除此之外，还有一些金属自身防腐或者利用非金属材料自身的耐腐蚀性进行抗击海洋环境下的高盐雾和海水长期的浸泡。而本文制备的是石墨烯型防腐涂料，由于聚四氟乙烯的加入，所以本文制备的石墨烯型防腐涂料是一种聚合物型防腐复合涂料，该复合涂料具有以下优点：
①聚四氟乙烯是一种聚合物材料，该聚合物材料的化学分子链段中含有较多的“-CF2-”重复单元，如图1所示，其中聚四氟乙烯分子中的碳氟键非常坚固，在聚四氟乙烯的分子链段中无侧链延伸，即在聚四氟乙烯整个分子链中不形成相互交联，碳氟原子间的结合能很大，所以聚四氟乙烯分子内之间的结合较为牢固，而聚四氟乙烯分子与分子之间的结合却较弱，因此整个聚四氟乙烯分子的轮廓显示出比较光滑[5-7]，这样会降低滑动阻力，致使其有自润滑性，可以抵抗海水的冲击和摩擦;
②石墨烯由于各种“最”（即自然界的物质中石墨烯的性质为所有物质中最薄最轻、载流子迁移率最高、电流密度耐性最大、强度最大最坚硬、导热率最高）的性能而被公认为21世纪新材料领域中的“未来材料”“革命性材料”和继硅之后电子信息产业的希望之星。石墨烯结构如图2所示，石墨烯是一种优异的二维材料[8-10]，石墨烯的尺寸非常小，单层石墨烯的厚度小于0.5 nm，将石墨烯填充到涂料中，可以减小涂料之间的间隙，使制备的涂料体系所形成的涂层更为致密，起到减少水分子侵蚀的作用;另外，石墨烯可以作为防腐涂料的一种组分发挥其较好的效果，石墨烯具有较高的强度和片状搭接阻隔性能，对外部的腐蚀物质可以起到很好地阻隔和屏蔽作用，这样就会降低防腐涂层被腐蚀物质渗透的程度，同时石墨烯具有二维的片层结构，在厚度方向上可以在涂料层中形成良好的物理隔绝层;除此之外，石墨烯材料的疏水性能较好，将石墨烯添加至防腐涂料中可以很好地阻碍水分子与基体之间的接触，最终达到较好的防腐效果[11-19]。本文制备的石墨烯型防腐涂料是一种性能优越的防腐涂料，可以很好地满足海洋环境下的防腐要求。
1 实验部分
1.1 主要原料
石墨烯、聚四氟乙烯、环氧树脂及固化剂、填料等原料均为市场化的常规原料;相关所需要的测试试验件按照相关的国家标准所要求的尺寸等进行加工。
1.2 仪器与设备
本文将制备的石墨烯型防腐涂料进行相关的试验测试，而所要用到的测试仪器主要有以下几种：漆膜附着力测试仪、漆膜冲击器、光学显微镜、盐雾试验机等。
1.3 涂料制备及成膜
将石墨烯粉料、聚四氟乙烯粉料、环氧树脂及固化剂、填料等以一定比例混合并转移至由N，N-二甲基乙酰胺、环己酮以一定的比例组成的混合溶剂中，然后对整个的混合体系进行高速搅拌分散，保证粉料颗粒能够均匀分散在混合体系中，即制得石墨烯型防腐涂料。
将制备好的石墨烯型防腐涂料通过常规喷涂的方式在预先准备好的测试试验件表面进行均匀喷涂成膜，然后再进行一定温度条件下的固化成型，使喷涂的石墨烯型防腐涂料最终固化成防腐涂层，依靠长期的喷涂经验摸索，使喷涂的防腐涂层的厚度控制在25～30 μm。 1.4 性能测试
本文制备的石墨烯型防腐涂料的附着力、抗冲击性能的测试分别按照《GB/T9286—1998漆膜的划格试验》《GB/T1732—93漆膜耐冲击测定方法》的相关标准要求进行测试;耐盐雾试验参照《GB/T 1771—2007色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》的相关标准要求进行测试，其中盐水质量分数为5% NaCl溶液，盐雾试验箱内控制温度为35 ℃;耐水性试验参照《GB/T 1733—1993漆膜耐水性测定法》的相关标准要求进行测试，具体如表1所示。
2 结果与讨论
2.1 附着力性能
根据涂料附着力测试的相关标准要求，对制备的石墨烯型防腐涂料与基体的结合能力进行评判，对喷涂石墨烯型防腐涂料的5件附着力测试件进行了测试分析，测试数据结果如表2和图3所示。结果显示在涂层表面划格的十字交叉处未发现有明显的涂层脱落或涂层大面积的剥离，仅仅在涂层表面划格的十字交叉处出现零星的轻微剥离，结合涂料附着力的评判标准，可以判定制备的石墨烯型防腐涂料的附着力均为1级，能够很好地满足防腐涂料结合能力的要求，这主要是因为在该石墨烯型防腐涂料制备过程中所选用的环氧树脂和固化剂具有较好的黏接性能，特别是环氧基团与基体的黏接作用使涂层与基体之间结合的较为牢固;另外，在喷涂该石墨烯型防腐涂料之前对基体表面进行了喷砂处理，使基体表面的粗糙度明显增加，有利于基体与防腐涂料的黏接附着[20-21]。此外，石墨烯的加入也可以有效地增加涂层的致密度和与基材的附着力[22-27]。
2.2 耐冲击性能
根据涂料耐冲击性能测试的相关标准要求，对制备的石墨烯型防腐涂料的耐冲击能力进行评判，对喷涂石墨烯型防腐涂料的5件耐冲击测试件进行了测试分析，如表3和图4所示。结果发现经1 kg的重锤在100 cm的高度处对测试样件进行冲击试验，经1 kg重锤冲击后发现涂层未发现裂纹和剥离脱落等现象，表明该涂层能够经受住1 kg重锤从100 cm高度处的冲击，此时试验结果显示石墨烯型防腐涂料的耐冲击性能均为100 cm，即制备的石墨烯型防腐涂料能够很好地满足防腐涂料耐冲击性能的要求。这主要是因为石墨烯具有较高的強度和硬度，石墨烯的高强度和高硬度使制备的防腐涂料表现出整体的耐冲击优势，另一方面是因为制备该涂料时所选用的环氧树脂和固化剂也具有一定的强度，使其在经受外力的冲击时具有一定的抗冲击能力。此外，石墨烯型防腐涂料与基体较好的结合能力也有助于防腐涂料的耐冲击性能的体现，而石墨烯型防腐涂料与基体的结合能力主要依靠于该涂料中环氧树脂及固化剂的黏接性能，特别是环氧树脂分子结构中的环氧基团的黏接作用。
2.3 耐盐雾性能
根据涂料耐盐雾性能测试的相关标准要求，对制备的石墨烯型防腐涂料的耐盐雾能力进行评判，对喷涂石墨烯型防腐涂料的5件耐冲击测试件进行了涂料耐盐雾能力的测试分析。
由于在海洋环境下的高盐性和高水雾，使防腐涂料必须能够经受一定程度的盐雾侵蚀，同时不会受到盐雾侵蚀的影响，为了验证该石墨烯型防腐涂料的耐盐雾性能，本测试试验所采用的测试样件为经过耐冲击后的样件，即已经经受1 kg重锤在100 cm高度处冲击后的测试样件再进行一定条件的盐雾试验，图5为涂层在中性盐雾试验箱中进行500 h后的照片，从盐雾试验后的照片中可以观察到盐雾试验后的试样表面无明显的锈斑，即经受500 h后的盐雾试验后涂层表面无明显的涂层起泡和生锈等现象，这说明制备的石墨烯型防腐涂料固化成涂层后在经盐雾试验后涂层的附着力依然牢固，说明该涂层的耐盐雾性能较好，这是因为石墨烯特殊的二维网状结构使其均匀分散在防腐涂料体系中表现出较好的屏蔽作用和稳定性。
2.4 耐水性
根据涂料耐水性测试的相关标准要求，对石墨烯型防腐涂料耐水能力进行评判，对喷涂石墨烯型防腐涂料的5件耐水试验件放置在40 ℃水中进行浸泡100 h，观察耐水试验件在水中浸泡之后涂层色彩光泽度及附着力的变化，具体如表4和图6所示。结果发现，制备的石墨烯型防腐涂料经在40 ℃水中浸泡100 h后，涂层的色彩光泽及附着力均未发现明显变化，说明制备的石墨烯型防腐涂料耐水效果较好，即本文所制备的石墨烯型防腐涂料能够很好地满足防腐涂料耐水性能的要求，这主要是因为石墨烯是一种纳米片状碳材料，该碳材料由于本身分子结构的原因使石墨烯具有一定的疏水性和阻隔性能，同时石墨烯在涂料体系中的均匀分散也使石墨烯型防腐涂料具有一定的疏水性和阻隔性能，在进行水介质浸泡时水分子未进一步地进入涂层内部，因此该防腐涂料的性能未受到影响。
3 结 论
综上所述，通过将石墨烯加入涂料体系中制备了一种石墨烯型防腐涂料，对制备的石墨烯型防腐涂料分别进行了涂层附着力、耐冲击性能、耐盐雾性能和耐水性能的测试试验，从试验结果得出石墨烯型防腐涂料具有较好的附着性能、耐冲击性能、耐盐雾性能和耐水性能，最终使制备的石墨烯型防腐涂料具有较好的防腐效果。
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