石墨烯型防腐涂料的制備及性能研究

摘 ? ? ?要：制備了一種由石墨烯、聚四氟乙烯、環氧樹脂等作為主要成分的石墨烯型防腐涂料，然后通過噴涂的方式將石墨烯型防腐涂料在測試樣件表面成膜，并研究了該防腐涂料的附著力性能、耐沖擊性能、耐鹽霧及耐水性能。結果表明：石墨烯型防腐涂料的附著力為1級，耐沖擊性能為100 cm，耐鹽霧及耐水性能較好，因此該防腐涂料具有較好的防腐效果。

關 ?鍵 ?詞：防腐涂料;石墨烯;附著力;耐沖擊;耐鹽霧;耐水性

中圖分類號：TQ 050.4 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 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

隨著世界各國經濟的快速發展，國家與國家之間的競爭力越來越大，國家之間的競爭除了依靠科技、國防和經濟之外，海洋戰略越來越受到世界各國的重點關注，海洋運輸、遠洋探測、船舶與深海能源的開發、海洋新能源等行業的迅速發展，對在海洋環境下具有防腐性能的防腐涂料要求越來越高[1-4]，因此研究新型的海洋環境下的防腐涂料越來越有一定的必要性，特別是在海洋環境中所經受的嚴重的鹽霧和沖擊條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領域研究較多的為聚合物基防腐涂料，除此之外，還有一些金屬自身防腐或者利用非金屬材料自身的耐腐蝕性進行抗擊海洋環境下的高鹽霧和海水長期的浸泡。而本文制備的是石墨烯型防腐涂料，由于聚四氟乙烯的加入，所以本文制備的石墨烯型防腐涂料是一種聚合物型防腐復合涂料，該復合涂料具有以下優點：

①聚四氟乙烯是一種聚合物材料，該聚合物材料的化學分子鏈段中含有較多的“-CF2-”重復單元，如圖1所示，其中聚四氟乙烯分子中的碳氟鍵非常堅固，在聚四氟乙烯的分子鏈段中無側鏈延伸，即在聚四氟乙烯整個分子鏈中不形成相互交聯，碳氟原子間的結合能很大，所以聚四氟乙烯分子內之間的結合較為牢固，而聚四氟乙烯分子與分子之間的結合卻較弱，因此整個聚四氟乙烯分子的輪廓顯示出比較光滑[5-7]，這樣會降低滑動阻力，致使其有自潤滑性，可以抵抗海水的沖擊和摩擦;

②石墨烯由于各種“最”（即自然界的物質中石墨烯的性質為所有物質中最薄最輕、載流子遷移率最高、電流密度耐性最大、強度最大最堅硬、導熱率最高）的性能而被公認為21世紀新材料領域中的“未來材料”“革命性材料”和繼硅之后電子信息產業的希望之星。石墨烯結構如圖2所示，石墨烯是一種優異的二維材料[8-10]，石墨烯的尺寸非常小，單層石墨烯的厚度小于0.5 nm，將石墨烯填充到涂料中，可以減小涂料之間的間隙，使制備的涂料體系所形成的涂層更為致密，起到減少水分子侵蝕的作用;另外，石墨烯可以作為防腐涂料的一種組分發揮其較好的效果，石墨烯具有較高的強度和片狀搭接阻隔性能，對外部的腐蝕物質可以起到很好地阻隔和屏蔽作用，這樣就會降低防腐涂層被腐蝕物質滲透的程度，同時石墨烯具有二維的片層結構，在厚度方向上可以在涂料層中形成良好的物理隔絕層;除此之外，石墨烯材料的疏水性能較好，將石墨烯添加至防腐涂料中可以很好地阻礙水分子與基體之間的接觸，最終達到較好的防腐效果[11-19]。本文制備的石墨烯型防腐涂料是一種性能優越的防腐涂料，可以很好地滿足海洋環境下的防腐要求。

1 ?實驗部分

1.1 ?主要原料

石墨烯、聚四氟乙烯、環氧樹脂及固化劑、填料等原料均為市場化的常規原料;相關所需要的測試試驗件按照相關的國家標準所要求的尺寸等進行加工。

1.2 ?儀器與設備

本文將制備的石墨烯型防腐涂料進行相關的試驗測試，而所要用到的測試儀器主要有以下幾種：漆膜附著力測試儀、漆膜沖擊器、光學顯微鏡、鹽霧試驗機等。

1.3 ?涂料制備及成膜

將石墨烯粉料、聚四氟乙烯粉料、環氧樹脂及固化劑、填料等以一定比例混合并轉移至由N，N-二甲基乙酰胺、環己酮以一定的比例組成的混合溶劑中，然后對整個的混合體系進行高速攪拌分散，保證粉料顆粒能夠均勻分散在混合體系中，即制得石墨烯型防腐涂料。

將制備好的石墨烯型防腐涂料通過常規噴涂的方式在預先準備好的測試試驗件表面進行均勻噴涂成膜，然后再進行一定溫度條件下的固化成型，使噴涂的石墨烯型防腐涂料最終固化成防腐涂層，依靠長期的噴涂經驗摸索，使噴涂的防腐涂層的厚度控制在25～30 μm。

1.4 ?性能測試

本文制備的石墨烯型防腐涂料的附著力、抗沖擊性能的測試分別按照《GB/T9286—1998漆膜的劃格試驗》《GB/T1732—93漆膜耐沖擊測定方法》的相關標準要求進行測試;耐鹽霧試驗參照《GB/T 1771—2007色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》的相關標準要求進行測試，其中鹽水質量分數為5% NaCl溶液，鹽霧試驗箱內控制溫度為35 ℃;耐水性試驗參照《GB/T 1733—1993漆膜耐水性測定法》的相關標準要求進行測試，具體如表1所示。

2 ?結果與討論

2.1 ?附著力性能

根據涂料附著力測試的相關標準要求，對制備的石墨烯型防腐涂料與基體的結合能力進行評判，對噴涂石墨烯型防腐涂料的5件附著力測試件進行了測試分析，測試數據結果如表2和圖3所示。結果顯示在涂層表面劃格的十字交叉處未發現有明顯的涂層脫落或涂層大面積的剝離，僅僅在涂層表面劃格的十字交叉處出現零星的輕微剝離，結合涂料附著力的評判標準，可以判定制備的石墨烯型防腐涂料的附著力均為1級，能夠很好地滿足防腐涂料結合能力的要求，這主要是因為在該石墨烯型防腐涂料制備過程中所選用的環氧樹脂和固化劑具有較好的黏接性能，特別是環氧基團與基體的黏接作用使涂層與基體之間結合的較為牢固;另外，在噴涂該石墨烯型防腐涂料之前對基體表面進行了噴砂處理，使基體表面的粗糙度明顯增加，有利于基體與防腐涂料的黏接附著[20-21]。此外，石墨烯的加入也可以有效地增加涂層的致密度和與基材的附著力[22-27]。

2.2 ?耐沖擊性能

根據涂料耐沖擊性能測試的相關標準要求，對制備的石墨烯型防腐涂料的耐沖擊能力進行評判，對噴涂石墨烯型防腐涂料的5件耐沖擊測試件進行了測試分析，如表3和圖4所示。結果發現經1 kg的重錘在100 cm的高度處對測試樣件進行沖擊試驗，經1 kg重錘沖擊后發現涂層未發現裂紋和剝離脫落等現象，表明該涂層能夠經受住1 kg重錘從100 cm高度處的沖擊，此時試驗結果顯示石墨烯型防腐涂料的耐沖擊性能均為100 cm，即制備的石墨烯型防腐涂料能夠很好地滿足防腐涂料耐沖擊性能的要求。這主要是因為石墨烯具有較高的強度和硬度，石墨烯的高強度和高硬度使制備的防腐涂料表現出整體的耐沖擊優勢，另一方面是因為制備該涂料時所選用的環氧樹脂和固化劑也具有一定的強度，使其在經受外力的沖擊時具有一定的抗沖擊能力。此外，石墨烯型防腐涂料與基體較好的結合能力也有助于防腐涂料的耐沖擊性能的體現，而石墨烯型防腐涂料與基體的結合能力主要依靠于該涂料中環氧樹脂及固化劑的黏接性能，特別是環氧樹脂分子結構中的環氧基團的黏接作用。

2.3 ?耐鹽霧性能

根據涂料耐鹽霧性能測試的相關標準要求，對制備的石墨烯型防腐涂料的耐鹽霧能力進行評判，對噴涂石墨烯型防腐涂料的5件耐沖擊測試件進行了涂料耐鹽霧能力的測試分析。

由于在海洋環境下的高鹽性和高水霧，使防腐涂料必須能夠經受一定程度的鹽霧侵蝕，同時不會受到鹽霧侵蝕的影響，為了驗證該石墨烯型防腐涂料的耐鹽霧性能，本測試試驗所采用的測試樣件為經過耐沖擊后的樣件，即已經經受1 kg重錘在100 cm高度處沖擊后的測試樣件再進行一定條件的鹽霧試驗，圖5為涂層在中性鹽霧試驗箱中進行500 h后的照片，從鹽霧試驗后的照片中可以觀察到鹽霧試驗后的試樣表面無明顯的銹斑，即經受500 h后的鹽霧試驗后涂層表面無明顯的涂層起泡和生銹等現象，這說明制備的石墨烯型防腐涂料固化成涂層后在經鹽霧試驗后涂層的附著力依然牢固，說明該涂層的耐鹽霧性能較好，這是因為石墨烯特殊的二維網狀結構使其均勻分散在防腐涂料體系中表現出較好的屏蔽作用和穩定性。

2.4 ?耐水性

根據涂料耐水性測試的相關標準要求，對石墨烯型防腐涂料耐水能力進行評判，對噴涂石墨烯型防腐涂料的5件耐水試驗件放置在40 ℃水中進行浸泡100 h，觀察耐水試驗件在水中浸泡之后涂層色彩光澤度及附著力的變化，具體如表4和圖6所示。結果發現，制備的石墨烯型防腐涂料經在40 ℃水中浸泡100 h后，涂層的色彩光澤及附著力均未發現明顯變化，說明制備的石墨烯型防腐涂料耐水效果較好，即本文所制備的石墨烯型防腐涂料能夠很好地滿足防腐涂料耐水性能的要求，這主要是因為石墨烯是一種納米片狀碳材料，該碳材料由于本身分子結構的原因使石墨烯具有一定的疏水性和阻隔性能，同時石墨烯在涂料體系中的均勻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，在進行水介質浸泡時水分子未進一步地進入涂層內部，因此該防腐涂料的性能未受到影響。

3 ?結 論

綜上所述，通過將石墨烯加入涂料體系中制備了一種石墨烯型防腐涂料，對制備的石墨烯型防腐涂料分別進行了涂層附著力、耐沖擊性能、耐鹽霧性能和耐水性能的測試試驗，從試驗結果得出石墨烯型防腐涂料具有較好的附著性能、耐沖擊性能、耐鹽霧性能和耐水性能，最終使制備的石墨烯型防腐涂料具有較好的防腐效果。

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