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当“新材料之王”石墨烯遇见“环境友好型”水
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  石墨烯是世上最薄的防腐蚀材料,可用于金属防护,有“新材料之王”的美誉,有关石墨烯在防腐领域的研究吸引了世界各国研究者的关注。大量的研究结果表明,石墨烯具有极为优秀的导电、导热、超轻薄、超大比表面积等特性,让其成为改善防腐涂料性能、降低防腐涂料成本的天然功能性材料。

  水性涂料因低污染、易净化、无刺激等特点,成为涂料行业大力发展的绿色环保型涂料。目前全国各地正加快进行油改水的进程,但水性涂料的防护效果仍比不上其对应的溶剂型涂料,导致其在重防腐领域中的应用程度仍然不高,改善水性涂料的防腐性已成为环保涂料发展中的重点。

  石墨烯具有的独特性能,为改善水性涂料的致密性、阻隔性、机械性能以及防腐性能带来新的改进途径。近年来,石墨烯研究进展显著,通过溶液或熔融共混、原位聚合等方法制备的溶剂型复合防腐涂料所展现出的效果亦被证实可行,这些为石墨烯水性复合防腐涂料的应用开发提供了研究依据,并带来了新的可能。

  水性聚氨酯具有溶剂型聚氨酯的性能,又克服了溶剂挥发对环境的污染。但是水性聚氨酯的热稳定性、耐溶剂性及力学性能等较差,影响其应用范围,因此为了提供水性聚氨酯的综合性能,通常要对其进行交联改性、环氧树脂改性、有机硅改性以及无机纳米材料改性等。

  石墨烯作为新的高性能纳米增强体,使聚氨酯的耐水性、热性能、力学性能均有不同程度的提升。研究人员利用共混法将异氰酸烯丙酯改性后的氧化石墨烯与水性聚氨酯进行复合,经考察,复合物的拉伸强度、玻璃化转变温度和热稳定性能都有显着提高。

  将氧化石墨烯、还原型氧化石墨烯以及功能化的石墨烯衍生物作为无机纳米填料添加到水性聚氨酯防腐涂料中,结合盐雾试验、电化学阻抗表征手段,详细考察了石墨烯的表面化学状态、分散状态以及用量等因素对水性聚氨酯复合涂层耐蚀性能的影响。结果表明,质量分数为0.2%的还原型氧化石墨烯对水性聚氨酯复合涂层的耐腐蚀性能具有最优异的增强效果。

  经过研发工作者们多年的努力,水性环氧涂料已经克服了耐水性/耐蚀性差的缺点,逐步应用到溶剂型涂料所涉及的重防腐领域。为进一步提高其防腐性能,研究人员将石墨烯复合到水性环氧涂料中开发出新型复合涂层。

  研究人员用聚丙烯酸钠将石墨烯浆料均匀稳定地分散到水溶液中,再经物理混合得到石墨烯水性环氧树脂涂层,通过极化曲线、交流阻抗谱和中性盐雾试验探讨了涂层的耐蚀性能。结果表明添加石墨烯后,复合涂层表现出较好的隔水性能,水分子在涂层中的扩散速率明显减缓;同时,涂层的防腐效果明显提高,电化学测试结果显示,添加了石墨烯的复合涂层的自腐蚀电流密度明显减小,涂层电阻和电荷转移电阻增大。

  利用原位聚合-化学还原法将苯胺插层聚合到石墨烯的表面和片层间,制备出聚苯胺/石墨烯复合材料,并采用机械共混法获得聚苯胺/石墨烯-水性环氧树脂复合防腐涂料。研究结果发现,与聚苯胺相比,掺杂了石墨烯的聚苯胺复合材料具有更高的比表面积,且保持了石墨烯原有的片层状结构;所制备的复合涂层表现出的抗渗性、耐蚀性和防腐性,均优于聚苯胺和纯环氧树脂的防护性能。

  水性丙烯酸防腐涂料价格低廉,具有安全环保、耐老化性优异、耐碱性佳、合成加工简单等特点,但因亲水性基团的残留,其耐水性较差,易闪蚀。研究人员将石墨烯用于水性丙烯酸树脂的防腐涂料中,通过配用相应的分散剂或偶联剂,改善了石墨烯在涂料中的分散性,并进一步通过搅拌、硅藻星涂料砂磨、过滤等工艺,实现水性石墨烯涂料的制备。结果表明,水性石墨烯涂料具有突出的耐水性和耐盐雾性,其防腐效果明显优于其他碳系材料填充的水性涂料。

  利用溶液共混法制备氧化石墨烯/丙烯酸酯/水泥复合涂料,研究发现氧化石墨烯表面的含氧基团可有效调控水泥水化产物的生长,使复合涂层的抗渗透性、拉伸强度和断裂伸长率等性能得到明显提升,而且涂层对环境友好、无污染。

  水性无机富锌底漆是以硅酸盐溶液为重要成膜物质,以高含量的锌粉(为提高涂膜性能,可适量掺混些片状铝粉、绢云母粉、磷铁粉、磷铁锌硅粉等)等为防腐颜料的水性重防腐底漆。由于富锌含量高,锌粉在空气中易发白,减少了涂层的附着力,涂层在使用过程中易起泡和干裂,防腐性能降低。

  研究人员将石墨烯作为防腐助剂加入到水性无机富锌涂料硅酸盐液体体系中,结果表明不含石墨烯防腐助剂的涂膜板耐盐雾试验1500h后就开始出现点绣、气泡等异常变化,而含有微量石墨烯防腐助剂的涂膜板耐盐雾实验2000h后仍无任何变化,表明添加石墨烯提高了涂膜的耐盐雾性能。

  水性防腐涂料经石墨烯改性后,硅藻星涂料机械力学性能、化学稳定性及防腐性能等得到提升,国内已有不少相关研究工作和专利发表,发展势头较好。但是,石墨烯在水性涂料中的应用研究多数都是实验室成果,研究尚处于起步阶段,仍存在许多棘手的科学问题和技术难题,但石墨烯水性复合防腐涂料拥有广阔的发展前景,其应用开发热潮仍在持续升温。返回搜狐,查看更多

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