基于水性石墨烯的海洋防腐涂层及其制备和应用的制作方法

本技术涉及涂料，具体涉及基于水性石墨烯的海洋防腐涂层及其制备和应用。

背景技术：

1、海洋工程结构面临着无情的海洋环境，其生命周期伴随着恶劣条件下的不断腐蚀，这种腐蚀不仅造成巨额的经济损失，更有可能因结构失效引发重大安全事故。海洋油气平台、船舶及海洋设施对抗腐蚀性能的需求不断提升，在此背景下，开发新型高效防腐涂层不仅具有重大的工程价值，也对资源长期利用、环境保护以及人类海上活动的安全保障意义深远。

2、石墨烯因其独特的二维结构和优异的屏蔽阻隔能力而被广泛研究，作为水性涂层的增强物质，石墨烯不仅能提高涂层的物理机械属性，还能提升其防腐蚀效能，从而有效保护金属基体免受海洋环境的腐蚀侵害。研究显示，通过将石墨烯纳米片引入涂层中，可以显著提高涂层的耐蚀性和抗生物污染能力，为海洋设施提供了更为可靠的防护。通过添加石墨烯等纳米材料，可以在海洋防腐涂层中形成致密的结构，从而提供持久的物理屏障，抵御针对金属基体的化学和生物腐蚀。水性石墨烯涂层具备低挥发性有机化合物排放的显著优势，因而满足了现代涂料工业对环保型产品的热切需求。相较于传统的溶剂型涂料，水性石墨烯涂层兼顾了环境友好性与经济效益成本的双重优势，是当前绿色制造和可持续发展趋势下极具前景的技术。

3、但是由于石墨烯之间具有强烈的π-π键的作用，导致易团聚，形成缺陷，无法形成长效保护，所以石墨烯的特有性能无法完全显现，为了解决石墨烯团聚的问题使其可以分散于水中，目前研究较多的石墨烯分散技术包括化学法分散和物理法分散，即通过共价键及非共价键修饰实现石墨烯的功能化，石墨烯和涂料树脂的融合主要通过共混法和聚合法等。

4、共混法是将石墨烯直接分散于涂料中，其混合形式可以是溶液或熔融共混。一般采用高速磁力搅拌工艺、剪切乳化工艺、球磨法或砂磨分散工艺，利用剪切力使聚合物链吸附插入石墨烯片层中。然而，该方法存在一定的缺陷。一方面，石墨烯具有较高的表面自由能，易于发生自身团聚；另一方面石墨烯与聚合物之间没有化学键作用，相对位置并不牢固，因此在共混过程中，不可避免地出现石墨烯聚集的情况。

5、聚合法则是通过原位聚合、乳液聚合或可控自由基聚合等合成方法，将具有特定官能团的活性物质，以共价键的方式接枝到石墨烯表面，对石墨烯进行氢化、氟化、卤素化、自由基或者附加苯环等功能化修饰，实现了对石墨烯表面结构的裁剪，提高了其反应活性，有效改善了石墨烯无机纳米填料在涂料基体中的溶解性、分散性和相容性。聚合法能够保证聚合物分子链连接、缠绕到石墨烯表面，并且二者间存在强的界面相互作用，可有效解决石墨烯在涂料中的分散性和相容性问题。然而，聚合法对反应的要求较高，反应过程中难以实现对官能团位置、比例以及接枝率的有效控制，不适合大规模应用。

技术实现思路

1、本技术提供了一种可以解决石墨分散的问题的水性石墨烯的海洋防腐涂层及其制备和应用，水性石墨烯的海洋防腐涂层包括：组分a和组分b；

2、所述组分a包括：1.5-2.5wt％多糖类胶体、4-6wt％石墨烯、3-5wt％稳定剂、1-1.5wt％防腐剂、余量为水；

3、所述组分b包括：73-81wt％、2-4wt％胶体脱水剂、0.1-0.2wt％润湿剂、10-15wt％防锈颜料、3-5wt％成膜助剂、0.5-2wt％防闪锈助剂及3-6wt％其他助剂；

4、所述组分a与组分b使用时的质量混合比例为1：(3-5)。

5、作为本发明的进一步方案，所述多糖类胶体为魔芋胶与黄原胶和卡拉胶中的一种。

6、作为本发明的进一步方案，所述魔芋胶、黄原胶、卡拉胶的使用的质量比为1：(0-7)：(0-4)。

7、作为本发明的进一步方案，所述稳定剂为乙烷基硫酸钠、乙烷基糖苷中的至少一种。

8、作为本发明的进一步方案，所述水性环氧改性聚氨酯乳液包括：6-9wt％环氧树脂和91-94wt％水性聚氨酯乳液，所述水性聚氨酯乳液中包括：20-23wt％聚碳酸酯二元醇、10-20wt％含羟基丙烯酸酯乳液、8-12wt％聚氧化丙烯二醇、0.5-1wt％dmea、0.5-1wt％1,4-丁二醇、18-23wt％ipd i、14-16wt％i hd i、5-7wt％n,n-二甲基甲酰胺、1-2wt％三乙胺、0.5-1wt％4,4'-二氨基二环己基甲烷、余量水。

9、作为本发明的进一步方案，所述胶体脱水剂为醋酸乙酯、正己烷、醋酸铵、硫酸铵、乙酸、硼砂、氯化钙中的至少一种。

10、作为本发明的进一步方案，所述润湿剂为有机硅表面活性剂；

11、所述防锈填料为硫酸钡、云母、滑石粉、三聚磷酸铝、钼改性磷酸锌中的至少一种。

12、另外，本发明还提供了基于水性石墨烯的海洋防腐涂层的制备方法，所述组分a的制备包括以下步骤：

13、s101：将石墨烯、稳定剂加入水中进行超声分散处理3-4h，得到石墨烯水溶液；

14、s102：将石墨烯水溶液升温至30-45℃，在超声分散处理的过程中，缓慢加入多糖类胶体后继续超声搅拌1-2h,冷却后得到石墨烯胶体溶液，即组分a。

15、作为本发明的进一步方案，所述组分b的制备包括以下步骤：

16、s201：将聚碳酸酯二元醇、含羟基丙烯酸酯乳液、聚氧化丙烯二醇抽真空去除水分之后，加入ipd、hdi、dmea、反应生成预聚体；

17、s202：向上述预聚体中加入环氧树脂，缓慢升温至60-70℃，加入n,n-二甲基甲酰胺丙酮溶液，反应2-3h；

18、s203：保持温度60-70℃，加入1,4-丁二醇，继续反应1-1.5h，生成环氧改性的聚氨酯预聚体；

19、s204:将温度降至40℃，向上述环氧改性的聚氨酯预聚体中加入三乙胺中和20min，在高速搅拌下加入去离子水乳化15～20min，继续加入4,4'-二氨基二环己基甲烷单体进行扩链，最后减压除去反应体系中剩余的溶剂丙酮，得到水性环氧改性聚氨酯乳液。

20、本发明还提供了基于水性石墨烯的海洋防腐涂层的应用，通过双组分喷涂装置按照组分a与组分b质量比为1：(3-5)进行喷涂，喷涂温度为40-50℃。

21、本技术提供的技术方案，具有如下有益效果：

22、(1)本技术中首先通过超声分散石墨烯，使石墨烯暂时分散在水中，然后加入多糖类胶体，逐步提高溶液的黏度，最后使水溶液成胶体状，由于胶体溶液具有良好的稳定性和分散性，在胶体溶液中，石墨烯被包裹在一个稳定的胶束或溶剂分子层中，这层保护膜可以减小石墨烯颗粒之间的相互接触，从而防止石墨烯发生团聚；

23、(2)本技术中的多糖类胶体使用魔芋胶与黄原胶和卡拉胶中的一种进行复配，可以形成对热可逆的弹性凝胶，使在低温的状态的储存过程中，胶体溶液的黏度增大，使石墨烯的长期稳定分散，防止长时间存放时，石墨烯迁移再次进行团聚；

24、(3)本技术中的组分b中含有胶体脱水剂，在完成涂层的喷涂时，胶体脱水剂与组分a的胶体反应，与胶体中的蛋白质或多糖形成沉淀，使胶体脱水凝固，方便水分的蒸发，保证涂层的对基材的附着性，同时胶体脱水后，胶体的密度增大，成膜性能好，且胶体不再具有吸水功能，进一步提高了涂层的稳定性和耐腐蚀性；

25、(4)由于多糖类胶体中含有羟基，本技术采用水性聚氨酯乳液作为涂层的基材，使多糖类胶体中的羟基与聚氨酯乳液中异氰酸根发生反应，提高涂层的交联度，进一步提高涂层的性能。