一种类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法与流程

本发明属于防腐涂层制备领域，涉及一种类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法。

背景技术：

1、金属腐蚀是影响社会发展的主要障碍之一，在世界范围内造成严重的安全问题和经济损失。在各种防腐蚀方法中，金属表面涂层是最有效、应用最广泛的方法。水性环氧涂料具有机械性能高、收缩率低、化学稳定性好、与金属表面附着力强等特点，在涂料中备受青睐。然而，水性环氧体系中存在许多亲水基团和残留表面活性剂，会加速腐蚀离子和水分子的渗透，从而削弱其阻隔性能。同时，固化过程中产生的孔隙和微孔会进一步降低其防渗性，阻碍其进一步应用。

2、石墨烯作为最薄二维碳纳米材料，因其独特的化学稳定性、完美的抗渗性和出色的机械性能，极有希望成为超高防腐材料的候选材料。然而，石墨烯纳米片之间强大的范德华力和π-π相互作用是限制石墨烯在涂料中分散并趋于聚集的因素，因此人们一直在寻找提高其渗透性的方法。近年来，特别是 聚苯胺改性石墨烯因其合成简单、成本低廉、环境稳定性好，其氧化还原可逆性可促进金属氧化物钝化层的形成等优点受到广泛关注。蛭石是一种经济实惠的二维材料，被广泛应用于涂料领域，并具有许多迷人的特性，如优异的电绝缘性、化学惰性、温度稳定性和机械强度，使其成为一种很有前景的防腐替代材料。其范德华力2:1型的蛭硅酸盐插层带强负电，可通过机械剥离和与阳离子交换等剥离方法进行剥离。上述特点使剥离蛭石成为增强与聚苯胺石墨烯复合物结合力的最佳候选材料，从而进一步提高涂层的腐蚀防护性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法，以便克服上述不足，改善提升涂层性能。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

3、一种类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法，所述方法包括以下步骤：

4、（s1）对蛭石固体进行剥离：采用物理机械剥离的方式，将蛭石固体在水中充分浸泡，并用高速高分散乳化机进行乳化剥离，并将乳化后的蛭石进行离心收集后，冷冻干燥得到剥离蛭石；

5、（s2）将苯胺聚合在石墨烯表面采用溶液聚合的方式，将苯胺加入到盐酸溶液中，充分混合溶解后与石墨烯分散液混合，再在搅拌的条件下缓慢加入过氧化氢后进行聚合后将样品抽滤洗涤，冷冻干燥收集得到聚苯胺石墨烯复合物；

6、（s3）将聚苯胺石墨烯聚合物与剥离蛭石粉末加入水中超声分散成稳定均匀的分散液；然后将该分散液与水性环氧树脂乳液混合，在真空条件下除泡并继续密封搅拌，接着加入水性环氧固化剂，并在真空环境中搅拌成环氧树脂粘稠浆料；

7、（s4）采用涂覆的方式将制备好的浆料涂布在碳钢表面，固化后得到复合涂层。

8、进一步地，所述步骤（s1）中，蛭石固体的高速分散乳化的转速为4500 rmp~9000rmp，乳化剥离时间为5 min~15 min；剥离蛭石离心收集的转速为2000 rmp~4000 rmp。

9、进一步地，所述步骤（s2）中，聚苯胺石墨烯复合物中的苯胺的加入量为200 mg-800 mg，苯胺和石墨烯的加入量比例为5:1~20:1，过氧化氢的加入量为0.13 ml~0.53 ml，苯胺石墨烯聚合温度为10 ℃-25 ℃，聚合时间为24 h~48 h。

10、进一步地，所述步骤（s3）中，聚苯胺石墨烯复合物与剥离蛭石超声分散形成稳定分散液，时间为1h-2h；复合材料与水性环氧树脂乳液混合液混合后搅拌条件为在真空作用下10-20min，保持密封在真空容器内搅拌时间为3h-5h；水性环氧固化剂与乳液混合后的搅拌条件为持续真空泵作用下搅拌时间30min~60min。

11、进一步地，所述步骤（s4）中，复合涂层的涂覆厚度为30-35μm；复合涂层的固化方式为常温时间为5-7天，高温固化6~12h；高温固化温度为70~95 ℃。

12、进一步地，所述步骤（s4）中，水性环氧乳液与水性环氧固化剂的质量比例保持为2:1；水性环氧涂料的固含量保持47%~53%，复合材料添加质量以固含量为计算标准；聚苯胺石墨烯复合材料添加质量分数为0.025 wt%~0.3 wt%，剥离蛭石与聚苯胺石墨烯复合质量添加比例为(0.025~0.3):1。

13、进一步地，所述步骤（s4）中，剥离蛭石和聚苯胺石墨烯复合物均为尺寸均匀的片层结构，尺寸大小均为300 nm~900 nm；剥离蛭石和聚苯胺石墨烯复合物片层插层吸附后的尺寸稳定在300 nm~600 nm。

14、在本发明中，利用剥离蛭石作为增强剂，通过静电吸附氢键等分子间作用力提高与聚苯胺石墨烯复合物夹层结构的稳定性，保证复合涂层的致密性和抗渗性。同时，其在涂层中起到了明显的缓蚀和钝化作用，实现了对阳极反应的抑制，进一步提高了涂层的防腐效果。最后，以经济性高的剥离蛭石为标准，不断减少石墨烯基复合材料的用量，达到优异协同防腐效果，实现低含量石墨烯基防腐涂料的经济安全和可持续发展的要求。

15、该发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明具有以下的优点：

16、（1）聚苯胺石墨烯复合物与剥离蛭石通过静电吸附氢键和基团之间等分子间作用力增强的界面结合力形成稳定的具有“骨肉效果”的类三明治结构，剥离蛭石是坚硬的“骨头”，聚苯胺石墨烯复合物是柔软的“肉”，保证了在涂层中优异的稳定性、相容性和分散性。

17、（2）复合材料增加了与环氧网络的交联密度，使涂层具有出色的致密性和抗渗性，从而实现了持久的阻隔性能。在长时间盐溶液浸泡后，电化学阻抗中阻抗模值仍具有数量级的提高。

18、（3）聚苯胺石墨烯复合物与剥离蛭石的复合物还产生了缓蚀和钝化效果，产生的钝化保护膜进一步提高了涂层的防腐蚀性能。

19、（4）聚苯胺石墨烯复合物的添加比例远少于剥离蛭石，满足低含量石墨烯防腐涂料的经济安全和可持续发展的要求。复合涂层使用溶剂均为水，无有机溶剂，具有环保绿色的优点。

技术特征：

1.一种类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法，其特征在于制备方法，其特征在于：所述步骤（s1）中，蛭石固体的高速分散乳化的转速为4500 rmp~9000 rmp，乳化剥离时间为5 min~15 min；剥离蛭石离心收集的转速为2000 rmp~4000rmp。

3.根据权利要求1所述的类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法，其特征在于制备方法，其特征在于：所述步骤（s2）中，聚苯胺石墨烯复合物中的苯胺的加入量为200mg-800 mg，苯胺和石墨烯的加入质量比例为5:1~20:1，过氧化氢的加入量为0.13 ml~0.53ml，苯胺石墨烯聚合温度为10 ℃-25 ℃，聚合时间为24 h~48 h。

4.根据权利要求1所述的类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法，其特征在于制备方法，其特征在于：所述步骤（s3）中，聚苯胺石墨烯复合物与剥离蛭石超声分散形成稳定分散液，时间为1h-2h；复合材料与水性环氧树脂乳液混合液混合后搅拌条件为在真空作用下10-20min，保持密封在真空容器内搅拌时间为3h-5h；水性环氧固化剂与乳液混合后的搅拌条件为持续真空泵作用下搅拌时间30min~60min。

5.根据权利要求1所述的类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法，其特征在于制备方法，其特征在于：所述步骤（s4）中，复合涂层的涂覆厚度为30-35μm；复合涂层的固化方式为常温时间为5-7天，高温固化6~12h；高温固化温度为70~95 ℃。

6.根据权利要求1所述的类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法，其特征在于制备方法，其特征在于：所述步骤（s4）中，水性环氧乳液与水性环氧固化剂的质量比例保持为2:1；水性环氧涂料的固含量保持47%~53%，复合材料添加质量以固含量为计算标准；聚苯胺石墨烯复合材料添加质量分数为0.025 wt%~0.3 wt%，剥离蛭石与聚苯胺石墨烯复合质量添加比例为(0.025~0.3):1。

7.根据权利要求1所述的类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法，其特征在于制备方法，其特征在于：所述步骤（s4）中，剥离蛭石和聚苯胺石墨烯复合物均为尺寸均匀的片层结构，尺寸大小均为300 nm~900 nm；剥离蛭石和聚苯胺石墨烯复合物片层插层吸附后的尺寸稳定在300 nm~600 nm。

技术总结本发明涉及一种类三明治结构复合石墨烯水性环氧涂层制备方法，所述方法包括以下步骤：（S1）对蛭石固体进行剥离；（S2）将苯胺聚合在石墨烯表面采用溶液聚合的方式，将苯胺加入到盐酸溶液中，充分混合溶解后与石墨烯分散液混合，再在搅拌的条件下缓慢加入过氧化氢后进行聚合后将样品抽滤洗涤，冷冻干燥收集得到聚苯胺石墨烯复合物；（S3）在真空环境中搅拌成环氧树脂粘稠浆料；（S4）采用涂覆的方式将制备好的浆料涂布在碳钢表面，固化后得到复合涂层。聚苯胺石墨烯复合物的添加比例远少于剥离蛭石，满足低含量石墨烯防腐涂料的经济安全和可持续发展的要求。复合涂层使用溶剂均为水，无有机溶剂，具有环保绿色的优点。技术研发人员：魏彤,李志远,范壮军受保护的技术使用者：合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）技术研发日：技术公布日：2024/10/10