氧化石墨烯/漆酚基纳米复合涂料的研制与性能表征

改性漆酚基复合树脂兼具了漆酚基树脂高交联密度和复合物的优点,成为了天然有机聚合物防腐涂料发展的重要方向。本论文以纯漆酚为原料,采用多种工艺制备出改性漆酚基聚合物和不同类型的氧化石墨烯衍生物,将氧化石墨烯与上述聚合物结合使用制备出新型复合涂料,并研究改性漆酚基复合涂料的结构与复合涂层的物理力学性能、电化学腐蚀性能、耐化学介质腐蚀性能及防腐作用机理。论文的主要研究内容和取得的结果如下:

通过机械混合和超声分散将改性氧化石墨烯(MGO)分散在漆酚缩甲醛(UFP)聚合物中,制备了不同MGO含量的氧化石墨烯/漆酚甲醛聚合物(MGO/UFP)涂层。研究了MGO对MGO/UFP复合涂层的微观结构、相组成、物理力学性能和抗腐蚀性能的影响。结果表明:GO通过化学修饰后可均匀分散于UFP基体中,添加3.5 wt.%的MGO可显著提高UFP涂层的硬度、附着力及防腐性能。

采用碱催化原位聚合法将多壁碳纳米管(MWCNTs)均匀地分散在漆酚甲醛聚合物(UFP)中,进一步通过溶液共混法制备了改性氧化石墨烯/多壁碳纳米管/漆酚甲醛聚合物(GO/MWCNTs/UFP)复合涂层。研究了GO/MWCNTs/UFP复合涂层的微观结构、物理力学性能和耐腐蚀性能。与UFP相比,GO/MWCNTs/UFP复合涂层的硬度、附着力和耐腐蚀性均有明显提高。GO/MWCNTs/UFP复合涂层(0.5 wt.%GO/2.0 wt.%MWCNTs)的硬度和附着力等级分别达到6H和1级。GO通过化学键与MWCNTs结合,将MWCNTs均匀地分散于UFP中,并可显著提高UFP涂层的耐碱性。

利用氧化石墨烯-氧化物/漆酚甲醛聚合物(GO-TiO_2/UFP,GO-SiO_2/UFP和GO-Y_2O_3/UFP)制备复合涂层,并证明氧化石墨烯-氧化物复合材料在金属基材的腐蚀保护方面的有效性。首先,使用硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性二氧化钛负载在GO表面并合成氧化石墨烯-二氧化钛(GO-TiO_2)复合材料。使用硅烷偶联剂3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APS)和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)合成氧化石墨烯-氧化钇(GO-Y_2O_3)复合物。基于3-乙氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)和原硅酸四乙酯(TEOS)在乙醇水溶液中的化学反应,通过原位两步溶胶-凝胶法合成氧化石墨烯-氧化硅(GO-SiO_2)复合物。研究了氧化石墨烯-氧化物复合物(GO-TiO_2,GO-Y_2O_3和GO-SiO_2)的形貌和结构。随后,将GO-氧化物掺入UFP中以研究复合材料在金属基材的腐蚀保护中的有效性。与GO-TiO_2/UFP和GO-Y_2O_3/UFP相比,GO-SiO_2/UFP具有优异的耐碱性能。另外,GO通过共价键与APTES-TiO_2交联,UFP中分散良好的GO-TiO_2改善了UFP涂层的电化学腐蚀性能,很可能是由于UFP涂层基质内部的扩散途径受阻,防止腐蚀性介质的扩散。

采用紫外光固化法制备了氧化石墨烯/漆酚基(MGO/UA)复合涂层,其所需固化时间比热固化大大缩短,仅为120 s;MGO/UA复合涂料耐热性得到改善,当MGO含量为1.5 wt.%时,硬度达到6H,附着力提高到1级;当MGO含量为2.0 wt.%时,漆膜具有较好的电化学腐蚀性能;MGO/UA复合漆膜的耐盐性能和耐酸性能优越,耐碱性能得到改善,耐腐蚀性能随着MGO含量的增加先增大后降低,MGO含量为1.0 wt.%的MGO/UA试样的耐腐蚀性能较佳。

使用硅烷偶联剂3-乙氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)合成了改性的纤维素纳米纤丝(APTES/CNF)并通过高强度超声波的方法制备了氧化石墨烯-纤维素纳米纤丝(GO-CNF)悬浮液,将改性后的GO-CNF水悬浮液添加到水性漆酚基涂料(WU)中,制备得到氧化石墨烯-纳米纤维素纤丝(GO-CNF)水性漆酚基(WU)复合涂料,并将其分别涂覆到玻璃板和马口铁片上,制备成相应的复合涂膜。结果表明,当APTES-CNF含量为10 wt.%时,所制得漆膜的物理力学性能最好,硬度达到6H,附着力达到1级;当GO-CNF含量为5 wt.%时,漆膜的耐腐蚀性能显著改善。