一种高耐划伤、耐磨损涂层材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高耐划伤、耐磨损涂层材料及其制备方法。采用化学修饰技术，在石墨烯表面修饰活性基团制备得到改性石墨烯，将其与聚硅氧烷共混，制备得到具有高耐划伤性、耐磨损的纳米复合涂料。本发明专利技术通过表面改性，增强了石墨烯的分散性以及与聚硅氧烷基体相互作用，极大提升了涂层的机械性能，不另外加颜填料，透明石墨烯/聚硅氧烷复合涂层的耐划伤性提升了140%以上，磨损量减少60%以上，兼具有优异的附着力、耐热性、耐候性、阻燃性、耐腐蚀性。石墨烯/聚硅氧烷复合涂层可应用于各种金属、塑料、木材、混凝土、玻璃等基材的表面保护及防护，应用领域包括汽车漆、光电材料、精密仪器、海洋重防腐以及建筑领域等。

【技术实现步骤摘要】
一种高耐划伤、耐磨损涂层材料及其制备方法
本专利技术涉及化工及光电领域，具体涉及一种高耐划伤、耐磨损涂层材料及其制备方法。石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料可应用于各种金属、塑料、木材、混凝土、玻璃以及它们的混合基材的表面保护及防护，石墨烯的加入可提高涂层的机械性能如耐磨性和耐划伤性、耐水性、耐热性、阻燃性、耐候性、抗静电性、耐腐蚀性。
技术介绍
随着经济的发展和人们生活水平的提高，涂层材料的保护作用越来越受到重视。建筑材料、汽车、海洋设施、仪器设备等表面涂层在使用和运输的过程中容易受到人为撞击、砂石、洗涤等划擦行为，导致涂层出现划痕失光，影响其保护功能和美观性。摩擦也给材料带来磨损，导致工作效率降低，乃至机械或工程结构破坏等问题。在一些工业领域中，如煤矿开采与选矿、火力发电等，与物料长期接触的设备时刻遭受摩擦与磨损。因此这些设备零部件所使用的涂料除防腐蚀、耐高温、耐候等性能要求外，还需要具有优异的耐磨性。如何获得具有高耐划伤、高耐磨损的保护涂层材料，是涂料工业中的热门研究方向。目前使用最常用的耐划伤涂料是在涂层中加入硬质填料，来增强涂层硬度从而提升其耐划伤性。美国的Sherwood等人研制出硬质聚硅氧烷涂层（US20140242272A1），以聚硅氧烷为树脂基材，加入水性硅溶胶和正硅酸乙酯制备高硬度耐划伤涂层，微硬度可达1.5Gp。Bohannon等人使用Al2O3、黏土、滑石粉等颜填料和苯丙乳液为主要成分制备光固化耐划伤树脂（US2012/0041092A1），颜填料加入量为0.1%~40%。吴银萍等研制的水性耐刮伤涂层材料（CN102504665A），通过添加陶瓷微珠、石英粉和耐刮伤助剂，改善漆膜硬度和光滑度，获得较强耐刮伤性。Liu等提出一种透明水性耐磨涂层制备方法（US9006370B1），以含环氧官能团有机硅树脂作为成膜物质，加入烷氧基铝和可水解硅氧烷，制备得到了耐磨性能优异的透明清漆。DavidPosey等通过将3种不同类型SiO2与树脂复配，得到一种消光耐磨UV固化涂层（US2014/0272438A1）。吴福娣等制备了一种硬质耐高温耐磨环氧涂料（CN105255307A），通过在环氧树脂里添加碳化硅、氧化铝硬质磨料，提升涂层在高温环境下的耐磨性、附着力等性能，其中磨料加入量为35%~75%。但是上述涂层材料存在填料用量大，涂层柔韧性等力学性能降低等问题。聚硅氧烷是以Si-O-Si无机网络结构为骨架的聚合物。硅氢键具有高键能、长键长的特点，因此聚硅氧烷具有优异的耐候性、耐热性以及防腐蚀性能。近年来，聚硅氧烷作为一种高性能长效防护涂层材料，已经广泛应用在建筑、设备的防护上。目前，纯聚硅氧烷涂层材料存在因后期水解缩合反应持续进行导致涂层出现交联密度过大、内应力增加、脆硬易开裂、耐划伤性能差等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种制备工艺简单、贮存稳定性好、硬度高、耐划伤性能和耐磨损性能好、对不同基材具有良好附着性能的石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料。本专利技术的另一个目的在于提出上述石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料的制备方法。本专利技术的再一个目的在于提出上述石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料的应用范围及其应用方法。本专利技术提出的一种高耐划伤、耐磨损涂层材料，是将改性石墨烯与聚硅氧烷通过共混方法，获得石墨烯/聚硅氧烷复合树脂，再与溶剂、非必须共混树脂、非必须固化剂、非必须颜填料和非必须助剂共混，在-30-300℃固化成膜，石墨烯与聚合物链段同时参与涂层的固化与成型过程，石墨烯二维层状结构在划伤和磨损过程中发挥支撑载荷作用，提升涂层弹性回复能力，避免划伤损害以及失效破坏，获得高耐划伤、耐磨损涂层材料；聚硅氧烷树脂通式可由（Ⅰ）表示：（Ⅰ）其中：R1、R2、R3、R4独立地选自如下的独立重复式：-CH3、-CH2-、-CH=CH2、-PH、-CH(O)CH-、-CH2CH2CH2OCH2-、-OCONH-、-COO-、-CONH-、-NH3、-N=C=O、-SH、-CH2O-、-CH(CH3)-、-CH(CH3)2-或-(Si(CH3)2O)e-Si(CH3)2-中任一种，R1、R3、R4可以为同一官能基团，a、b、c、d、e各自独立地为0-1000的整数；改性石墨烯是利用带有功能基团的活性反应试剂、非必须还原剂，通过化学键合作用、静电作用、氢键作用、酸碱作用，对氧化石墨烯表面进行化学修饰，使团聚的石墨烯转变为单分散石墨烯；高耐划伤、耐磨损涂层材料的组成为：改性石墨烯用量占涂层材料总质量的0.1-30wt％，聚硅氧烷树脂占原材料总量的20-89.9wt％，溶剂用量占原材料总量的10-79.9wt％，非必须共混树脂用量占涂层材料总质量的0-50wt％，非必须固化剂用量占涂层材料总质量的0-30wt％，非必须颜填料用量占涂层材料总质量的0-50wt％，非必需助剂用量占涂层材料总质量的0-30.0wt％，涂层材料总质量为使用的改性石墨烯、聚硅氧烷树脂、溶剂、非必须共混树脂、非必须固化剂、非必须颜填料、非必须助剂质量之和。本专利技术中，所述的聚硅氧烷树脂属于有机多分子硅醚类物质，拥有一种主要由三官能团或四官能团组成的不规则三维网络状结构，包含：多个Si-O-Si键，和至少两个含有机基团部分，其各自连接至少一个Si-O-Si键。有机基团包括但不限于烷基、苯基、氨基、环氧基、乙烯基、酰氧基、巯基、异氰酸酯基，其连接至一个Si-O-Si键的硅上的连接部分，其中所述的连接部分是选自如下的式：-(CH2)a-，其中a是1-10的整数，和-(CH2)bCONH(CH2)c-，其中b和c独立为1-10的整数。在一种特定的实施方案中，Si-O-Si键的至少一部分包含胶态二氧化硅。本专利技术中，利用改性石墨烯表面修饰的活性基团，石墨烯与聚合物链段同时参与涂层的固化与成型过程，石墨烯与聚硅氧烷产生机械互锁与化学键合双重作用，均匀分散的石墨烯二维层状结构可以在划伤和磨损过程中发挥支撑载荷作用，提升涂层弹性回复能力，避免划伤损害以及失效破坏，获得高耐划伤、耐磨损涂层材料。本专利技术提出的高耐划伤、耐磨损涂层材料的制备方法，具体步骤如下：（1）改性石墨烯的制备（1.1）将1重量份的氧化石墨烯、0-2重量份非必须助剂加入50-1000重量份的分散介质中，分散0.1-48小时；（1.2）将0.1-100份活性反应试剂加入步骤（1.1）所得产物中，在5-200℃条件下反应1-100小时；（1.3）将0-100份非必须还原剂加入步骤（1.2）所得产物中，在5-200℃条件下继续反应1-50小时；（1.4）将步骤（1.3）所得产物经分离、洗涤，得到改性石墨烯；（２）石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料的制备（2.1）在1-100℃的温度下，将步骤（１）得到的改性石墨烯、聚硅氧烷树脂和非必须共混树脂加入到溶剂中混合，100-1500rpm转速下搅拌均匀；（2.2）将非必须颜填料、非必需助剂加入非必须溶剂中混合，100-5000rpm转速下搅拌均匀；（2.3）将步骤（2.1）所得产物加入到步骤（2.2）所得产物中，100-1500rpm转速下搅拌均匀；（2.4）将非必须固化剂加入到步骤（2.3）所得产物中，100-1500rpm转速下搅拌均匀；（2.5）将步骤（2.4）所得产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高耐划伤、耐磨损涂层材料，其特征在于：将改性石墨烯、聚硅氧烷树脂、非必须共混树脂、溶剂、非必须固化剂、非必须颜填料和非必须助剂共混，在‑30‑300℃固化成膜，改性石墨烯与聚合物链段同时参与涂层的固化与成型过程，改性石墨烯二维层状结构在划伤和磨损过程中发挥支撑载荷作用，提升涂层弹性回复能力，避免划伤损害以及失效破坏，获得高耐划伤、耐磨损涂层材料；（1）聚硅氧烷树脂通式可由（Ⅰ）表示：

【技术特征摘要】
1.一种高耐划伤、耐磨损涂层材料，其特征在于：将改性石墨烯、聚硅氧烷树脂、非必须共混树脂、溶剂、非必须固化剂、非必须颜填料和非必须助剂共混，在-30-300℃固化成膜，改性石墨烯与聚合物链段同时参与涂层的固化与成型过程，改性石墨烯二维层状结构在划伤和磨损过程中发挥支撑载荷作用，提升涂层弹性回复能力，避免划伤损害以及失效破坏，获得高耐划伤、耐磨损涂层材料；（1）聚硅氧烷树脂通式可由（Ⅰ）表示：（Ⅰ）其中：R1、R2、R3、R4独立地选自如下的独立重复式：-CH3、-CH2-、-CH=CH2、-PH、-CH(O)CH-、-CH2CH2CH2OCH2-、-OCONH-、-COO-、-CONH-、-NH3、-N=C=O、-SH、-CH2O-、-CH(CH3)-、-CH(CH3)2-或-(Si(CH3)2O)e-Si(CH3)2-中任一种，R1、R3、R4为同一官能基团，a、b、c、d、e各自独立地为0-1000的整数；（2）改性石墨烯是利用带有功能基团的活性反应试剂和非必须还原剂，通过化学键合作用、静电作用、氢键作用、酸碱作用，对氧化石墨烯表面进行化学修饰，使团聚的氧化石墨烯转变为单分散石墨烯；（3）石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料的组成为：改性石墨烯用量占涂层材料总质量的0.1-30wt％，聚硅氧烷树脂占涂层材料总质量的20-89.9wt％，溶剂用量占涂层材料总质量的10-79.9wt％，非必须共混树脂用量占涂层材料总质量的0-50wt％，非必须固化剂用量占涂层材料总质量的0-30wt％，非必须颜填料用量占涂层材料总质量的0-50wt％，非必需助剂用量占涂层材料总质量的0-30.0wt％，涂层材料总质量为使用的改性石墨烯、聚硅氧烷树脂、溶剂、非必须共混树脂、非必须固化剂、非必须颜填料和非必须助剂质量之和。2.一种如权利要求1所述的高耐划伤、耐磨损涂层材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）改性石墨烯的制备（1.1）将1重量份的氧化石墨烯、0-2重量份非必须助剂加入到50-1000重量份的分散介质中，分散0.1-48小时；（1.2）将0.1-100份活性反应试剂加入到步骤（1.1）所得产物中，在5-200℃条件下反应1-100小时；（1.3）将0-100份非必须还原剂加入到步骤（1.2）所得产物中，在5-200℃条件下继续反应1-50小时；（1.4）将步骤（1.3）所得产物经分离、洗涤，得到改性石墨烯；（２）石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料的制备（2.1）在1-100℃的温度下，将步骤（１）得到的改性石墨烯、聚硅氧烷树脂和非必须共混树脂加入到溶剂中混合，100-1500rpm转速下搅拌均匀；（2.2）将非必须颜填料、非必需助剂加入非必须溶剂中混合，100-5000rpm转速下...

【专利技术属性】
技术研发人员：游波，胡航，李滨，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31