一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法
阅读说明：本技术 一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法 (Preparation method of aromatic diamine modified graphene oxide epoxy resin coating ) 是由 瞿建刚 刘薇薇 李瑶 陈豪杰 曹力文 赵颖 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法,属于金属表面防腐技术领域。其技术方案为：包括以下步骤：步骤一、芳香二胺改性氧化石墨烯粉末的制备；步骤二、复合环氧涂料的制备。本发明的有益效果为：本发明该方法工艺简单,制备的涂料耐腐蚀性大大提高,同时涂料整体的硬度、附着力和柔韧性都有所提升。(The invention provides a preparation method of an aromatic diamine modified graphene oxide epoxy resin coating, and belongs to the technical field of metal surface corrosion prevention. The technical scheme is as follows: the method comprises the following steps: step one, preparing aromatic diamine modified graphene oxide powder; and step two, preparing the composite epoxy coating. The invention has the beneficial effects that: the method has simple process, the corrosion resistance of the prepared coating is greatly improved, and the integral hardness, adhesive force and flexibility of the coating are improved.)
技术领域
本发明涉及金属表面防腐技术领域，尤其涉及一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法。
背景技术
全球每年因金属腐蚀而造成的经济损失约占全球GDP的3％～5％，同时金属腐蚀还可能会降低材料的强度、塑性和韧性等力学性能，进而破坏几何形状，甚至导致工程结构灾难性破坏。因此提升金属材料的防腐性能是一项亟待解决的重要工作。
有机涂层可作为阻隔涂层，减少金属基材与腐蚀性物质的接触。目前有机涂层的种类繁多，如环氧树脂、聚氨酯、聚苯硫醚和氯化聚醚树脂等。其中，环氧树脂因其有高附着力、热稳定性、高机械性能和耐化学性而被广泛应用。此外，目前环氧树脂大多采用安全、成本较低且环境友好的水作为溶剂，既降低了成本，又能避免大量挥发性有机化合物对人类和环境造成危害。然而，由于环氧涂料涂层中含有孔隙和孔洞且长期暴露在腐蚀介质中，使得涂层的防腐耐久性降低，传统涂料已无法满足目前市场的防腐需求。
氧化石墨烯具有化学惰性、抗氧化能力和机械强度等优点，在防腐涂料领域有广泛的应用前景。专利202110479814.8虽然公开了一种石墨烯基海洋防腐涂料及其制备方法，其所述的石墨烯基填料为单层石墨烯、多层石墨烯和氧化石墨烯中的一种或多种，这些石墨烯基填料的比表面积及层间范德华力大，易导致其在涂料中发生部分团聚，无法堵塞涂层中的孔洞，从而不能达到预期的防腐效果。
氧化石墨烯表面含有大量羟基、环氧基和羧基等多种含氧官能团，这些官能团可作为活性位点，为氧化石墨烯的改性提供多种可能。将氧化石墨烯改性后，再分散到环氧涂料中，一方面能够在一定程度上阻隔腐蚀介质，另一方面能够延长腐蚀介质通过的路径，从而提升涂层的防腐性能。专利号：202110017159.4虽然公开了一种聚苯胺改性氧化石墨烯/羟基化氮化硼复合环氧涂层的制备方法，但在合成步骤中需要氮气保护，制备成本较高。专利号：202110462208.5虽然公开了一种官能化纳米氧化锌/石墨烯增强的水性环氧树脂复合涂料，但合成反应需在10wt％的乙醇水溶液中进行，同时需在70℃下保温2h，较难实现大规模生产。
芳香二胺主要有：邻苯二胺、间苯二胺和对苯二胺，其均具有苯环及二胺结构。可利用其分子上的两个胺基与氧化石墨烯的环氧基团键合，同时其空间位阻效应可有效改善氧化石墨烯的团聚问题。专利号：202010834362.6虽然公开了一种聚对苯二胺-石墨烯改性环氧树脂防腐涂料的制备方法，将对苯二胺利用π-π相互作用附着在石墨烯表面，但非共价键的稳定性较弱，导致非共价改性的氧化石墨烯结构稳定性较差。
如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法，该方法工艺简单，同时所制备的涂料耐腐蚀性大大提高，同时涂料整体的硬度、附着力和柔韧性都有所提升。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、芳香二胺改性氧化石墨烯粉末的制备：通过改进的Hummers法制备小片子氧化石墨烯，配制1～5mg/mL氧化石墨烯水分散体，将芳香二胺加入氧化石墨烯水分散体中，将溶液的pH值调节至10～11，在70～80℃条件下反应5～6h，反应结束后，用去离子水多次清洗反应产物，直至得到无色透明残液，最后，将产物超声分散均匀，进行真空冷冻干燥，得到芳香二胺改性氧化石墨烯粉末；
步骤二、复合环氧涂料的制备：称取芳香二胺改性氧化石墨烯粉末，超声分散在去离子水中，得到芳香二胺改性氧化石墨烯水分散体，将乳液、芳香二胺改性氧化石墨烯水分散体和色浆按质量比为6：10：1混合，并机械搅拌24h，得到芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料；
步骤一中，所述改进的Hummers法为在冰浴条件下，向含有500mL浓硫酸的烧杯中加入6g石墨，在磁力搅拌下缓慢加入30g高锰酸钾，冰浴搅拌6h后，在常温下继续搅拌48小时，接着在冰浴条件下缓慢加入500mL去离子水，搅拌24小时后再加入50mL双氧水，当反应液变为亮黄色时，加入50mL 5％的盐酸溶液，最后用去离子水多次洗涤，直到悬浮液pH值为中性后，再冷冻干燥。
作为本发明提供的一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法进一步优化方案，所述骤一中，所述小片子氧化石墨烯的尺寸＜5μm。
作为本发明提供的一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法进一步优化方案，所述步骤一中，所述芳香二胺为对苯二胺、邻苯二胺和间苯二胺中的一种。
作为本发明提供的一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法进一步优化方案，所述步骤一中，所述氧化石墨烯与芳香二胺的质量比为1：2～1：6。
作为本发明提供的一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法进一步优化方案，所述步骤一中，所述调节溶液pH值时，选用NH3·H2O调节至pH值为10～11。
作为本发明提供的一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法进一步优化方案，所述步骤二中，所述芳香二胺改性氧化石墨烯水分散体中，芳香二胺改性氧化石墨烯的质量占芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的0.1～0.2wt％。
作为本发明提供的一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法进一步优化方案，所述步骤二中，所述乳液固体分为35％，乳液各组分的质量百分比：
作为本发明提供的一种芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料的制备方法进一步优化方案，所述步骤二中，所述色浆固体分为44％，色浆配方质量百分比：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明中制备出的芳香二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料不仅具有耐腐蚀性，同时涂料整体的硬度、附着力和柔韧性都有所提升。
(2)本发明与已有专利相比，在充分利用氧化石墨烯化学惰性、抗渗透性等优点的同时，解决了氧化石墨烯在环氧涂料中团聚的问题，利用芳香二胺中的两个氨基对氧化石墨烯进行共价改性，使得芳香二胺改性氧化石墨烯能均匀分散在环氧树脂中。
(3)本发明在制备涂料中不增加设备，成本低，同时在制备芳香二胺改性氧化石墨烯过程中，仅需使用芳香二胺、氧化石墨烯和NH3·H2O，实验操作简单，便于工业化生产。
附图说明
图1为本发明0.15wt％对苯二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料所制备漆膜的SEM图。
图2为本发明0.2wt％邻苯二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料所制备漆膜的SEM图。
图3为本发明0.16wt％间苯二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料所制备漆膜的SEM图。
图4为本发明环氧树脂涂料所制备漆膜的SEM图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。
实施例1
参见图1至图4，本发明提供其技术方案为，对苯二胺改性氧化石墨烯粉末的制备：通过改进的Hummers法制备小片子氧化石墨烯，配制1mg/mL氧化石墨烯水分散体。将1.014g对苯二胺加入200mL氧化石墨烯水分散体中，将溶液的pH值调节至11，在70℃条件下反应6h。反应结束后，用去离子水多次清洗反应产物，直至得到无色透明残液。最后，将产物超声分散均匀，进行真空冷冻干燥，得到对苯二胺改性氧化石墨烯粉末。
复合环氧涂料的制备：称取1.275g对苯二胺改性氧化石墨烯粉末，超声分散在498.725g去离子水中，得到对苯二胺改性氧化石墨烯水分散体。将300g乳液、500g对苯二胺改性氧化石墨烯水分散体和50g色浆依次混合，并机械搅拌24h，得到对苯二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料。
漆膜的制备：将上述复合环氧树脂涂料在电压为190V，温度为32℃，时间为的60s条件下电镀在硅烷样板上，并在190℃下烘烤20min，所得漆膜厚度为20±1μm。
实施例2：
邻苯二胺改性氧化石墨烯粉末的制备：通过改进的Hummers法制备小片子氧化石墨烯，配制1mg/mL氧化石墨烯水分散体。将0.5576g邻苯二胺加入200mL氧化石墨烯水分散体中，将溶液的pH值调节至10，在65℃条件下反应6h。反应结束后，用去离子水多次清洗反应产物，直至得到无色透明残液。最后，将产物超声分散均匀，进行真空冷冻干燥，得到邻苯二胺改性氧化石墨烯粉末。
复合环氧涂料的制备：称取1.7g邻苯二胺改性氧化石墨烯粉末，超声分散在498.3g去离子水中，得到邻苯二胺改性氧化石墨烯水分散体。将300g乳液、500g邻苯二胺改性氧化石墨烯水分散体和50g色浆依次混合，并机械搅拌24h，得到邻苯二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料。
漆膜的制备：将上述复合环氧树脂涂料在电压为190V，温度为32℃，时间为60s的条件下电镀在硅烷样板上，并在190℃下烘烤20min，所得漆膜厚度为20±1μm。
实施例3：
间苯二胺改性氧化石墨烯粉末的制备：通过改进的Hummers法制备小片子氧化石墨烯，配制1mg/mL氧化石墨烯水分散体。将0.5068g间苯二胺加入200mL氧化石墨烯水分散体中，将溶液的pH值调节至11，在70℃条件下反应6h。反应结束后，用去离子水多次清洗反应产物，直至得到无色透明残液。最后，将产物超声分散均匀，进行真空冷冻干燥，得到间苯二胺改性氧化石墨烯粉末。
复合环氧涂料的制备：称取1.36g间苯二胺改性氧化石墨烯粉末，超声分散在498.64g去离子水中，得到间苯二胺改性氧化石墨烯水分散体。将300g乳液、500g间苯二胺改性氧化石墨烯水分散体和50g色浆依次混合，并机械搅拌24h，得到间苯二胺改性氧化石墨烯环氧树脂涂料。
漆膜的制备：将上述复合环氧树脂涂料在电压为190V，温度为32℃，时间为60s的条件下电镀在硅烷样板上，并在190℃下烘烤20min，所得漆膜厚度为20±1μm。
对比例：
环氧涂料的制备：将300g乳液、500g去离子水和50g色浆依次混合，并机械搅拌24h，得到环氧树脂涂料。
漆膜的制备：将上述环氧树脂涂料在电压为190V，温度为32℃，时间为60s的条件下电镀在硅烷样板上，并在190℃下烘烤20min，所得漆膜厚度为20±1μm。
对漆膜进行指标测试，如下：
耐盐雾性能测试参照GB/T12967.3-2008《铝及铝合金阳极氧化膜检测方法第3部分：铜加速乙酸盐雾试验(CASS试验)》。
柔韧性测试参照GB/T 1731-1993《漆膜柔韧性测定法》。
附着力测试参照GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》。
硬度测试参照GB/T 6739-2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》。
表1漆膜耐盐雾性能、柔韧性、附着力和硬度测试
由表可知，实施例的耐盐雾性能差别不大，在测试240h时，划叉处的宽度、划叉处的气泡及边缘锈点情况基本一致，其中实施例2在测试96h和168h时，其划叉处的宽度较小。对比例在测试48h时，其耐盐雾性能与实施例并无大很大差别。但随着时间的延长，其划叉处宽度变大，最后为4.0mm，同时在划叉处出现大量气泡，以及在边缘处出现密集锈点。其原因可能是因为实施例在环氧树脂中添加了能均匀分散的芳香二胺改性氧化石墨烯，在环氧树脂固化过程中，其可以填充固化过程产生的孔洞，此外氧化石墨烯本身具有抗渗透性，可作为钝化层保护金属免受氧化和腐蚀，故实施例的耐盐雾性能相对于对比例有很大提升。
表中实施例中的漆膜柔韧性及附着力都有很大提升，但硬度提升不明显。实施例芳香二胺中的氨基提供正电，此外芳香二胺还可以作为还原剂将氧化石墨烯转化为疏水还原氧化石墨烯，有助于消除固化过程中不可避免的缺陷和空隙，与金属更好地结合。所以，与对比例相比，实施例中的柔韧性和附着力均有提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，任何在此基础上，对其中配方和工艺的局部变动，都应在本发明的保护范围之内。
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