水性石墨烯分散液及水性石墨烯环氧富锌涂层的制备方法

本发明属于水性防腐涂料制备，具体涉及一种水性石墨烯分散液及水性石墨烯环氧富锌涂层的制备方法。

背景技术：

1、从公路桥梁到基础建设，从飞机大炮到汽车芯片，金属材料的使用随处可见，然而，在使用过程中与众多腐蚀介质接触，金属材料不断被腐蚀消耗，造成极大的资源浪费，且腐蚀产物将引发环境污染，形成安全隐患等问题。

2、为了保护金属材料，延长使用寿命，通常采用涂层防护将金属与腐蚀介质隔绝，或者延缓腐蚀介质到达金属基体的时间。其中，环氧富锌涂层是通过电化学、化学或物理屏蔽对金属材料起到防腐作用。电化学保护是指涂层中锌粉的标准电极电势(-0.76v)相比于铁的标准电极电势(-0.44v)更小，锌的活性更大，更容易失去电子，在腐蚀环境中优先作为牺牲阳极来保护金属；化学保护是指锌粉氧化产物增加涂层电阻，减弱电化学腐蚀速率，提高耐久性；物理屏蔽是指涂层密闭性，整个涂层将腐蚀介质与金属基体隔绝以保护金属的作用；因此，锌粉的含量、性质对涂层整体的耐蚀性影响巨大。

3、然而，在国内外防腐工程实践中，为了充分发挥环氧富锌涂层的阴极保护作用，通常采用较高锌粉含量的涂层来获得较好的腐蚀防护性能，涂层中锌粉含量>80wt.％，过高的锌粉含量会影响涂层性能，比如锌粉堆砌、出现裂纹等。因此，通常采用添加石墨烯降低锌粉含量，保持良好、持久的阴极保护作用，提高涂层的防腐性能。但是，石墨烯是单层或少层的石墨片，由sp2杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状结构，常用物理机械剥离石墨烯，操作时间较长分散不稳定，易团聚，石墨烯片层结构容易在强烈的搅拌中被破坏，影响在涂层中的导电效应；化学改性操作复杂，破坏原有π-π共轭结构导致结构缺陷，所得涂层稳定性较差。

4、目前，水性环氧富锌涂层的制备方法为分别配制甲、乙组分，在使用时将两个组分充分混合分散均匀，根据环境温度添加适量水，采用喷涂、刷涂等工艺涂覆在金属材料表层。但是，采用此方法锌粉颗粒在涂层内部分布不均，当锌粉含量较少时锌粉颗粒被环氧树脂隔绝无法形成导电通路，环氧树脂导电性差导致锌粉颗粒无法充分发挥阴极保护作用；当锌粉含量过多时锌粉颗粒之间容易堆砌成团，形成空隙为腐蚀介质穿过涂层提供道路，导致涂层防护时间缩短。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种水性石墨烯分散液及水性石墨烯环氧富锌涂层的制备方法。本发明所述方法，将超声离心处理得到的水性石墨烯分散液加入涂层中，增加了石墨烯在涂层中的分散性，同时石墨烯的不可渗透性填充锌粉造成的空隙起物理屏蔽，其高导电性将涂层中的锌粉相连接，增加其导电性，加强阴极保护作用，降低锌粉用量，降低成本，提高了涂层的导电性和防腐性能。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、水性石墨烯分散液，包括dpm(二丙二醇甲醚)、pma(丙二醇甲醚醋酸酯)、分散剂、石墨粉，其各组分的重量份：dpm 40～45份、pma 40～45份、分散剂3～5份、石墨粉9～10份、纯水5～10份。

4、所述分散剂选用disperbyk-2013。

5、水性石墨烯分散液的制备方法，取水性石墨烯分散液的各组分，依次加入纯水、分散剂、dpm、pma、石墨粉搅拌均匀后，超声处理，静置沉降，取上层清液，离心，取上层清液得到水性石墨烯分散液。

6、所述搅拌的时间为15～20min；

7、优选地，所述静置沉降的时间为20～30min。

8、所述超声处理的环境温度为35～45℃，超声振动功率为0.1～1kw，超声频率为20～100khz，超声处理时间为4～8h。

9、所述离心处理的转速为10000～15000rpm，离心时间为10～15min。

10、采用水性石墨烯分散液制备水性石墨烯环氧富锌涂层的方法，包括以下步骤：

11、1)甲组分的制备：

12、组成甲组分的各组分的重量份：环氧固化剂10～13份、水性石墨烯分散液0～10份、dpm 1～8份、pma 1～8份、分散剂0.3～0.5份、消泡剂0.4～0.6份、凹凸棒土2～3份、气相二氧化硅0.3～0.5份、锌粉70～75份；

13、依次加入环氧固化剂、消泡剂、分散剂、水性石墨烯分散液、dpm、pma，进行第一次低速分散，再加入凹凸棒土、气相二氧化硅，中速分散至溶液呈胶状，最后加入锌粉，第二次低速分散，得到甲组分；

14、2)乙组分选用环氧树脂；

15、3)涂层的制备：

16、室温下，分别将甲组分、乙组分和纯水按照15：5：2的比例混合，搅拌5～10min得到浆料，通过刷涂、或喷涂至金属材料上得到水性石墨烯环氧富锌涂层。

17、步骤1)所述环氧固化剂选用plr 737b；

18、优选地，所述消泡剂选用df-110或迪高810；

19、优选地，所述分散剂选用disperbyk-2013。

20、步骤1)所述第一次低速分散的转速为600～800rpm，时间为10～15min；

21、优选地，所述中速分散的转速为1000～1400rpm；

22、优选地，所述第二次低速分散的转速为600～800rpm，时间为15～20min。

23、步骤2)所述环氧树脂选用aers 65075。

24、本发明的有益效果：

25、(1)本发明制备水性石墨烯分散液时，采用超声离心处理得到水性石墨烯分散液，能够减轻制备过程中对石墨烯片层结构的破坏，降低团聚，分散均匀，石墨烯直接分布于水相，可直接用于制备水性防腐涂层。

26、(2)本发明所述的制备水性石墨烯分散液与制备的涂层，采用相同的溶剂dpm、pma，降低了石墨烯、锌粉在涂层中发生固液分离、颗粒堆砌，增强了涂层的密闭性，提高了涂层的导电性和防腐性能，同时还可以避免了引入其他物质。

27、(3)本发明所述制备涂层时，添加水性石墨烯分散液，缺陷小的石墨烯具有更好的不可渗透性能够填充锌粉团聚造成的空隙起物理屏蔽作用，阻挡或延缓腐蚀介质渗入涂层；高导电性能将环氧树脂隔离开的锌粉相互连通提升了锌粉利用率，使涂层导电性增加，加强阴极保护作用，提升了涂层的防腐能力，且降低了锌粉用量，降低成本。

28、申请人通过实验验证，添加水性石墨烯分散液，涂层的电导率大于电阻率，涂层的电导率可达到30ⅹ10-3μs/cm以上；降低了涂层的吸水率，延缓了腐蚀介质渗透时间；将涂层的附着力均提升至0级，使得涂层的附着效果最好；涂层的硬度提升至4h～5h；盐雾试验到216h、264h时，添加水性石墨烯分散液的涂层产生气泡量均少于未添加水性石墨烯分散液的涂层，提高了涂层的耐腐蚀性。

29、采用本发明所述方法制备的水性石墨烯环氧富锌涂层，能够将金属材料与腐蚀介质隔绝，或者延缓腐蚀介质到达金属基体的时间，延长了金属材料的使用寿命，主要用于涂覆在钢铁金属材料上的导电防腐涂层。

技术特征：

1.一种水性石墨烯分散液，其特征在于，包括dpm、pma、分散剂、石墨粉，其各组分的重量份：dpm 40～45份、pma 40～45份、分散剂3～5份、石墨粉9～10份、纯水5～10份。

2.根据权利要求1所述水性石墨烯分散液，其特征在于，所述分散剂选用disperbyk-2013。

3.一种水性石墨烯分散液的制备方法，其特征在于，取水性石墨烯分散液的各组分，依次加入纯水、分散剂、dpm、pma、石墨粉搅拌均匀后，超声处理，静置沉降，取上层清液，离心，取上层清液得到水性石墨烯分散液。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的时间为15～20min；

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述超声处理的环境温度为35～45℃，超声振动功率为0.1～1kw，超声频率为20～100khz，超声处理时间为4～8h。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述离心处理的转速为10000～15000rpm，离心时间为10～15min。

7.采用权利要求1所述的水性石墨烯分散液制备水性石墨烯环氧富锌涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述环氧固化剂选用plr737b；

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述第一次低速分散的转速为600～800rpm，时间为10～15min；

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述环氧树脂选用aers65075。

技术总结本发明涉及一种水性石墨烯分散液及水性石墨烯环氧富锌涂层的制备方法，加入纯水、分散剂、DPM、PMA、石墨粉搅拌，超声处理，静置沉降，离心处理，取上层清液得水性石墨烯分散液；1)甲组分：加入环氧固化剂、消泡剂、分散剂、水性石墨烯分散液、DPM、PMA，低速分散，加入凹凸棒土、气相二氧化硅，中速分散，加入锌粉，低速分散；2)乙组分：环氧树脂；3)制备涂层：甲、乙组分、纯水15：5：2搅拌得浆料，刷涂至金属材料得水性石墨烯环氧富锌涂层。本发明所述方法，超声、离心得水性石墨烯分散液加入涂层，石墨烯填充锌粉空隙起物理屏蔽，其高导电性将锌粉连接，加强阴极保护作用，降低锌粉用量，提高涂层的导电性和防腐性。技术研发人员：兰伟,胡芳勇,张蓉蓉,喻唯,高翔,代伟受保护的技术使用者：重庆科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9