石墨烯改性富鋅底漆的制備及在集裝箱上的應用

劉立偉 許怒涌 陳建軍 戴凱 王自龍 楊鴻鵬

摘要：選取插層解理法制備的水性石墨烯漿料對水性環氧富鋅（80%）底漆進行改性，取代其20%的鋅粉，制備水性石墨烯（60%）鋅粉底漆。重點對比了石墨烯不同添加量的水性（60%）鋅粉底漆和水性（80%）鋅粉底漆的涂層附著力、柔韌性、耐性鹽霧等性能。結果表明：在集裝箱涂層相同的配套（環氧富鋅底漆+環氧中間漆+丙烯酸面漆）膜厚下，水性（60%）鋅粉底漆在合適的石墨烯的添加量下，降低鋅粉用量但可以提高涂層的耐中性鹽霧性能，其中石墨烯添加量在0.3%綜合性能最佳，耐沖擊性（正沖）50cm，劃格附著力1級，耐中性鹽霧1200h，遠超集裝箱傳統涂層配套技術要求的600h。

關鍵詞：石墨烯；富鋅底漆；集裝箱

由于富鋅涂料對基材具有優異的保護性能，其在集裝箱涂層防腐領域得到了廣泛的應用[1-2]。此外，水性環氧富鋅涂料施工工藝簡單方便，涂膜十分符合集裝箱行業對涂層的整體性能要求[3]。但是環氧富鋅涂料，需要大量的鋅粉構成陰極的防護導電通路，大量鋅粉的使用會存在一部分技術缺陷：首先會導致漆膜脆性較大，影響柔韌性；其次影響漆膜致密性，導致漆膜耐水性差；鋅粉含量過高不僅影響焊接性能，還會產生鋅煙，不利于焊接操作人員的身體健康；鋅粉屬于耗竭資源，對其大量使用，不僅材料成本高，且浪費資源和能源。因此在保持原有的性能基礎上，降低鋅粉的用量，利大于弊。

環氧富鋅涂層中的鋅粉隨著腐蝕的時間加長被氧化導致導電性降低，可能阻斷電子的傳輸路徑，讓環氧富鋅原本的陰極保護大幅降低，從而導致涂層防腐性能變差。高質量薄層石墨烯是片層結構，具備優異的導電性，將其以合適的量添加到富鋅底漆中，可以和鋅粉形成極佳的導電網絡，即可以讓石墨烯實現導電搭橋，實現降低部分鋅粉用量，涂層也具有良好的防腐性。同時，石墨烯對于腐蝕介質具有不可滲透性，添加在富鋅底漆中，其片層結構層層疊加、交錯排列，在涂層中可形成“迷宮式”屏蔽結構，形成一道道屏蔽阻隔，能有效抑制腐蝕介質的侵蝕，提高涂層物理阻隔性，對鋼材和鋅粉都提供了保護作用[4-6]。

本實驗選取了插層解理法制備的水性石墨烯漿料對水性（80%）鋅粉底漆進行改性，取代其20%的鋅粉，開發出水性石墨烯（60%）鋅粉底漆，在降低鋅粉用量的基礎上，通過物理機械性能、耐中性鹽霧測試，研究了石墨烯添加量影響涂層防腐性能的規律，并在集裝箱上進行應用，在滿足基本物理機械性能的基礎上，耐中性鹽霧性能遠超集裝箱傳統涂層配套國標耐中性鹽霧要求的600h，達到1200h。

1實驗部分

1.1主要原料及儀器

水性石墨烯漿料：中烯涂墨烯-格瑞豐ZX；環氧乳液：工業級，美國瀚森；改性多元胺：上海瀚岱；鋅粉：工業級，800目，湖南新威凌；特殊防腐顏料：工業級，600，泰和；膨潤土，海明斯；分子篩A3，格雷斯；分散劑6208：工業級，湛新；消泡劑011：工業級，畢克；ZX-E-2003水性環氧中間漆、ZX-C-5003水性丙烯酸面漆：工業級，福建中烯新材料有限公司；異丙醇、乙二醇丁醚：工業級，市售。

BSA4202S電子天平（0.01g），Sartorius；BGD740/2分散機、BGD225流掛儀、BGD503附著力劃格板、BGD302漆膜沖擊器、BGD880鹽霧試驗箱，標格達；HWS-80B恒溫干燥箱，宏諾。

1.2配方

配方見表1和表2。

A組分制備：依次加入改性多元胺、分散劑、助溶劑，低速攪拌10min，然后緩慢添加膨潤土、蠟粉、分子篩高速分散40min至細度60um以下，其中保持溫度在45～55℃至少25min，最后緩慢加入防腐填料、鋅粉繼續高速分散30min即可。

B組分制備：依次加入環氧乳液、石墨烯漿料、防閃銹劑、市自來水、消泡劑，然后中速分散30min，過濾即可。

1.3分析與測試

1.樣板制作：將A、B組分按照5：1質量比混合攪拌均勻后，加入適量的純水稀釋至合適的施工粘度，按照集裝箱用水性涂料JH/T E06-2021的標準制備富鋅底漆+環氧中間漆+丙烯酸面漆涂層配套樣板，實驗室用2～3mm噴砂鋼板，采用有氣噴涂。

2.性能測試：漆膜的耐水性按照GB/ T1733—1993進行測試；耐鹽霧性按照GB/ T1771—2007進行測試；附著力按照GB/ T9286—2021進行測試；柔韌性按照GB/ T1731—2020；抗沖擊性按照GB/T1732—2020標準進行測試。

2結果與討論

2.1水性石墨烯（60%）鋅粉底漆與水性（80%）鋅粉底漆物理性能對比

物理性能測試對比，結果見表3，其中石墨烯的添加量為干膜的質量分數。

由表3可以知，未添加石墨烯的80%和60%鋅粉底漆，柔韌性只能到2mm，而添加≥0.3%的石墨烯的柔韌性能到1mm。所有涂層耐沖擊都可以達到50cm，無開裂、脫落現象。大于等于0.3%石墨烯，劃格附著力可以做到0級，其他的只能做到1級。由此看出，當石墨烯添加到一定量時，可明顯改善涂層的柔韌性和附著力，可能是由于石墨烯本身特殊的片層結構和優異的力學性能，從而使涂層有優異的物理性能。

2.2水性石墨烯（60%）鋅粉底漆與水性（80%）鋅粉底漆的涂層配套綜合性能對比

由以上測試結果挑選石墨烯添加量0.1%、0.3%、0.5%的配方與80%鋅粉底漆進行集裝箱涂層配套綜合性能測試，結果見表4。按照正常生產節拍施工，底漆噴涂一道30um；環氧中間漆噴涂一道50um；丙烯酸面漆噴涂一道40um。

可見，石墨烯的引入可以提高涂層的防腐蝕性能和機械性能，當石墨烯添加量較低時，涂層的防腐性能隨著石墨烯摻量的增加有逐漸提高的趨勢；但是，當石墨烯添加量超過0.3%時，機械性能最佳但涂層的防腐性能開始出現明顯下降，可能是因為體系中石墨烯過量，在涂層中分布不均導致內部缺陷增多，影響了涂層防腐性。

3結語

通過選取插層解理法制備的石墨烯代替部分鋅粉，添加相對合適的量，可在涂層中均勻分散，不團聚，制備的水性石墨烯環氧鋅粉防腐涂料具有優異的力學性能與防腐性能。

當石墨烯添加量為干膜質量的0.3%時，所制備的水性石墨烯（60%）鋅粉底漆+環氧中間漆+丙烯酸面漆的集裝箱配套涂層綜合性能最佳，附著力0級，柔韌性1mm，耐沖擊50cm，耐中性鹽霧達到1200h，超過水性80%鋅粉底漆的配套的600h要求。該石墨烯改性富鋅（60%）底漆，能夠降低鋅粉的用量，耐腐蝕、施工性能優異，并且與中間漆、面漆有良好的配套性，在集裝箱的涂裝中，有很高的實際使用價值。

參考文獻

[1]蒼會升，溫義麗，謝飛，等.新型環境友好型集裝箱涂料的研制[J].中國涂料，2019，34（9）：45-50.

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[3]高雪田.水性集裝箱涂料現狀與展望[J].涂料工業，2018，48（6）：51-55.

[4]梁宇，陳凱鋒，張心悅，等.石墨烯改性環氧鋅基防腐涂料的制備與性能研究[J].涂料工業，2019，49（9）：30-34.

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[6]田振宇，李志剛，瞿研.鋅烯重防腐涂料的發展現狀與應用前景[J].涂料技術與文摘，2015，36（9）：30-34.

（作者單位：中烯新材料（福建）股份有限公司）