石墨烯在防腐涂料中的应用

2020年10月 | 1752 石墨烯防腐机理2.1 屏蔽作用将防腐涂料涂抹于金属表面上，能够有效隔绝金属基体本身与周边空气两者，这种类型的保护作用就是屏蔽作用[3]。通常情况下所使用涂料，若只涂单层时其厚度相对比较小，很难起到完全隔绝腐蚀性离子的作用，这主要是因为高聚物膜层一般都存在一定的孔洞，而这些孔洞的平均直径大约为10-5cm～10-7cm之间，但是水分子直径和氧分子直径一般在十几纳米左右，在这种情况将石墨烯这种具有纳米性质的材料融入防腐涂料中，能够起到填补涂料本身存在的缺陷作用，以此来隔绝水、氧气等一些气体原子渗透涂层。根据相关实验研究结果表面，氧气分压所处环境在10-4mbar以上，石墨烯也可以有效保护金属基底，有效避免其受到腐蚀影响。基于以上，运用石墨烯材料应用于金属防护涂层所用的防腐涂料中，能够其实避免金属表面与具有腐蚀性、氧化性的介质进行接触，有效防护基地材料。2.2 缓蚀作用所谓缓蚀作用，就是基于涂料本身特有的成分与金属基体两者发生反映后，促使金属表面因此出现纯化或者是形成具有保护性质的一层防护膜层，通过这种方式来强化涂料的防护作用，将石墨烯加入其中，能够起到对镀层金属的钝化作用，对提升金属基底的耐腐蚀性能具有积极性应用意义。2.3 加固作用就金属材料本质特征来讲，其经常使用的聚合物涂层很容易某种物质刮坏，但通过将石墨烯与防腐涂料融合于一体后使用，因石墨烯本身具有的机械、摩擦方面的应用性能优势，能够起到强化材料在减摩以及抗磨方面的应用优势；除以上之外，石墨烯还具有重量轻、特性超薄的特征，不会对金属基底带来其他不良的使用影响。3 石墨烯在防腐涂料中的应用3.1 石墨烯-环氧树脂涂料所谓石墨烯-环氧树脂涂料，简单来讲就是采用物理混合的方式将自制石墨烯分散液和双组份水性环氧树脂两者混合起来制作而成[4]。其一，通过对极化曲线、电化学阻抗以及中性0 引言就石墨烯改性涂料的特性来讲，能够实现长时间在高温环境下开展工作，由此可以看出，这种类型的涂料具有良好的耐热性、耐光照老化等优势，而石墨烯的这些应用优势对于涂料而言具有非常大的应用意义，因此将石墨烯与涂料两者结合起来使用，能够有效强化涂料在使用中的导热性、防腐性等应用性能，同时也可以应用于各种环境相对比较恶劣且极端的环境下使用。就此本文通过对石墨烯在防腐涂料中的应用进行详细探讨，具有一定的现实性研究意义。1 概述石墨烯和防腐涂料1.1 石墨烯石墨烯是在当前科学技术大力发展背景下衍生的一种新型具有防腐性能的涂料[1]。简单来讲，就是通过一种碳原子构成新型单层片状结构二维层状材料，也就是由c原子以sp2杂化轨道组合而成的一种形状为六角形、并呈蜂巢状的晶格平面薄膜，其中每个晶格有数量为三个的σ键，每个σ键的连接非常紧密，以此形成形状为正六边形的稳定结构，对于其中与晶面呈垂直状态的π键，对导电方面具有非常重要的应用作用。将采用石墨烯制备的新型涂料应用于防腐涂料中，一方面能够体现出其特有的环氧富锌涂料阴极保护效果以及玻璃鳞片涂料屏蔽效果；另一方面具有韧性和附着力比较强，具有良好的耐水性以及高硬度的应用特征。从整体上来看，石墨烯防腐涂料做体现出的防腐性能远比当前所使用的重防腐涂料更具应用优势，在我国海洋工程、大型工业设备、市政等多领域都有一定的应用。1.2 防腐涂料所谓防腐涂料，具体指的是由底、中以及面三种漆组合而成的一种具有防腐性能涂料，根据涂料所使用的领域进行分类，可将其分为两种，一种为常规性防腐涂料，这种类型的涂料通常情况下主要对金属等类型物质起到防腐性作用，通过防腐来延长金属使用寿命[2]；另一种为重防腐涂料，相比较于常规性防腐涂料来讲，重防腐涂料能够应用于比较苛刻的环境下，同时也能达到比常规性防腐涂料保护时间更久的应用效果。石墨烯在防腐涂料中的应用李宏亮(大庆油田昆仑集团有限公司，黑龙江 大庆 163000)摘要：随着我国工业化发展迅速，防腐涂料也被广泛应用于我国工业生产。与此同时，随着当前全球化发展进程不断加快，海上贸易也有了相应发展。就海洋所处的高盐高湿环境来讲，金属材料因长期处于海水浸泡、盐雾侵蚀的影响，很容易出现腐蚀情况，从而导致原有金属材料因腐蚀出现不同程度的损坏，因此这就需要采用防腐涂料来强化海洋中所使用的金属材料抗腐蚀方面的性能，同时这也是当前应用比较普遍的防腐蚀方式。而近年被研发出来的石墨烯材料就能够在高温潮湿的条件下进行相应的工作，同时对环境也不会带来不利影响，将其应用于防腐涂料中，以此来制备性能更优质的复合型防腐涂料，就此文章首先概述石墨烯和防腐涂料，分析石墨烯防腐机理，最后提出如何将石墨烯应用于防腐涂料中，以供参考。关键词：石墨烯；防腐涂料；缓蚀；机理176 | 2020年10月长时间大约在10d左右，另外，腐蚀电流密度随之降低1个数量级，能够起到很好的防腐效果。3.3 石墨烯-氟碳涂料要想进一步强化氟碳涂层在防腐蚀方面的使用性能，对此可通过添加硅烷偶联剂的方式改变其中石墨烯的性质，将改变性质后的石墨烯加入氟碳树脂中，将两者混合于一体，以此来制备含量不同的石墨烯-氟碳复合涂料[5]。经过试验研究表明，通过这种方式能够实现石墨烯表面成功接枝官能团，除此之外，将该种涂料应用于涂层中，分散情况相对比较均匀。从整体上来看，将石墨烯表面接枝官能团，一方面能够有效提高石墨烯在实际应用中的分散性，这主要在于石墨烯本身具有结构独特的特征，整体呈片状形态，这种类型的石墨烯结构能够起到一定的阻挡腐蚀物质渗透情况，因此也就在很大程度上提升了复合涂层在耐腐蚀方面的性能；另一方面，将石墨烯与涂料两者混合于一体，在比例上也有一定的要求，根据试验结果来看，当前石墨烯添加的最佳含量为0.4%，若氟碳涂料中添加的石墨烯含量过低情况下，无法切实起到阻抗腐蚀物质的作用；相反，若添加的石墨烯含量过高，就会使得涂层多出腐蚀通道，从而导致涂层耐腐蚀性因此降低。4 结语综上所述，就石墨烯的本质特征来讲，因其属于纳米添加剂，将其与涂料两者结合起来，能够体现出其他类型涂料没有的应用特性，但当前对石墨烯以及相关复合材料在涂料中应用相对比较少，正处于初始研究阶段，还需要对此加大研究力度，因此本文首先对石墨烯和防腐涂料两者进行简单概述，然后从屏蔽作用、缓蚀作用以及加固作用三方面来研究石墨烯的防腐基底，最后从石墨烯-环氧树脂涂料、石墨烯-丙烯酸聚氨酯涂料以及石墨烯-氟碳涂料三个角度提出石墨烯在防腐涂料中的应用，希望能够在不久的将来，关于石墨烯在防腐涂料中的应用研究，有更大的进展，以此推动我国工业事业的健康发展。参考文献：[1]关迎东，候晓燕，孙春龙. 石墨烯一锌粉长效防腐涂料的研制[J]. 涂料与应用，2019, 049(001): 13-19.[2]刘栓，李延伟，胡家元，等. 石墨烯改性重防腐涂料在世界最高输电铁塔的防腐应用[J]. 腐蚀科学与防护技术，2019, 031(001): 114-120.[3]李菁熠，李小瑞，朱科，等. 三聚磷酸铝/氧化石墨烯复合材料在水性防腐涂料中的应用[J]. 涂料工业，2019, 049(005): 45-50.[4]李文冠，张瑞志，罗方伟，等. 改性石墨烯基填料在防腐涂料中的应用研究进展[J]. 涂料工业，2020, 050(004): 81-87.[5]郑进强，王睿炘，李忠水. 石墨烯防腐涂料在码头工程施工中的应用研究[J]. 珠江水运，2020 (005): 105-108.作者简介：李宏亮(1973-)，男，山东莒县人，工程硕士，高级工程师，研究方向：化工研究。盐雾进行相应的实验，通过实验的方式来对石墨烯含量为0.5%的E44水性环氧涂层进行分析，从中探讨在这种环境下石墨烯所展现的隔水、耐腐蚀等应用性能，与此同时，将分析结果与纯环氧涂层E44两者之间进行相应的性能比较，根据对比结果能够明显发现，在水性环氧树脂涂料中加入石墨烯，进一步提升了涂层的防腐性能，耐腐蚀性能也随之得到相应的提升，同时自腐蚀电流密度随之降低，通过对其进行200h以上的中性盐薄雾实验后，涂层表面薄膜持续保持平整状态，没有出现明显的腐蚀情况，具有很好的应用成效。其二，在双组份水性环氧树脂涂料中加入适量石墨烯分散剂，以此来进行石墨烯固体润滑涂层制备，然后通过运用电化学阻抗、动电位极化曲线来对涂层应用于海水中电化学腐蚀情况以及涂层失效过程进行全方位的模拟分析，试验中所使用的海水通常为3.5%的氯化钠溶液，通过进行实验，明显看出运用石墨烯能够很好的起到对水性环氧涂层电阻以及电荷转移电阻的提升作用，同时也起到对环氧涂层处于干燥和海水两种情况下的摩擦系数以及磨损率的降低作用，具有良好的应用成效。3.2 石墨烯-丙烯酸聚氨酯涂料对于石墨烯-丙烯酸聚氨酯涂料，主要是借助化学特性以及物理分散的方式来强化聚氨酯基体中石墨烯和氧化石墨烯的分散性，通过对填料加入量多少来对其可能对聚氨酯复合涂层可能带来的防腐性能影响情况进行分析和探究，根据试验结果来看，不论是石墨烯还是氧化石墨烯，都起到了一定的强化复合涂层防腐性能的应用特征。石墨烯和氧化石墨烯在最佳添加范围主要在0.25%～0.5%之间，对于添加的含量对涂层带来的防腐影响，主要由填料本身的润滑性、阻隔效益以及裂纹情况三者之间的平衡来决定的。从整体上来看，相对比较纯的聚氨酯涂层腐蚀介质扩散路径处于笔直状态，若在其中加入适量石墨烯和氧化石墨烯，就会使得原本笔直状态的扩散路径转变为弯曲状态；在这种变化下，若添加过量石墨烯和氧化石墨烯情况下，微裂纹就会因此大幅度增长，同时在其中具有一定的主导性作用，与此同时，腐蚀介质就是借助微裂纹加速进行扩散。除以上之外，氧化石墨烯-聚氨酯涂层与石墨烯-聚氨酯涂层进行比较，后者更能体现出其在防腐性能方面的应用优势特征，这主要在于前者氧化石墨烯本身就具有非常丰富的官能团，这就加快了其在防腐性能中的分散性；另一方面在一定程度上导致晶格结构遭受损坏。为有效改进水性聚氨酯丙烯酸酯涂层在防腐方面的应用性能，相关科研人员通过原位聚合法的方式进行水性聚氨酯丙烯酸酯-氧化石墨烯两种材料的复合乳液制备，最终制备出来的氧化石墨烯具有氧化程度高、分散性良好的特征，从整体上来看水性聚氨酯丙烯酸酯-氧化石墨烯制备出来的复合乳液，其粒径会随着氧化石墨烯在其中含量不断增多，整体趋势表现为先增大后减小，根据实验结果表明，若氧化石墨烯质量分数在0.5%的情况下，涂层热稳定性随之上升140℃，与此同时，耐盐雾时间相比较于纯水性聚氨酯丙烯酸酯来看，前者比后者延