一种改性氧化石墨烯及其制备方法和一种涂料技术

本发明专利技术公开了一种改性氧化石墨烯，其表面通过硅烷偶联剂接枝锌，硅烷偶联剂一端与氧化石墨烯连接，一端与锌连接，其表面具有疏水微纳结构；通过配置硅烷偶联剂水溶液和锌粉的乙醇分散液，混合后反应得到硅烷偶联剂接枝在锌粉表面的固体粉末，将得到的固体粉末和氧化石墨烯加入N,N

【技术实现步骤摘要】
一种改性氧化石墨烯及其制备方法和一种涂料


[0001]本专利技术涉及一种氧化石墨烯，特别涉及一种改性氧化石墨烯及其制备方法和一种涂料。

技术介绍

[0002]腐蚀是指材料与环境发生化学反应或电化学反应所造成的破坏。这种破坏导致材料性能的损失与失效，造成资源浪费乃至引发设备事故。金属材料和非金属材料均可以和环境介质发生作用而腐蚀。防腐蚀材料的防腐原理1、屏蔽作用：防腐的物理原理就是以防腐涂层将被保护材料与外界的腐蚀介质隔离开，使用成膜剂获得致密的防腐涂层，来隔离腐蚀性物质对被保护材料的伤害，即所谓的屏蔽作用。2、缓蚀作用：防腐的化学原理就是将有害的酸碱物质中和为中性的无害物质，来保护防腐涂层内的材料不受腐蚀性物质的侵害。3、化学作用：防腐的电化学作用是指在防锈涂料中添加一些特殊的物质，这样在水分和氧气通过防锈涂料时会发生反应而形成防腐离子，使钢铁等金属的表面钝化，达到防腐的目的。防腐涂料防腐蚀机理是在金属表面形成一层屏蔽层，阻止水和氧与金属表面接触，如果在涂料中添加缓蚀剂防腐涂料具备延缓腐蚀的作用，涂料中添加电化学活性的颜填料时涂料在具备阻隔作用的同时具备电化学保护作用，如富锌底漆。
[0003]氧化石墨烯是一种新型的由碳原子构成的单层片状结构的二维材料，其强度高、韧性好、比表面积大、化学和热稳定性好，这些特性使氧化石墨烯在金属防腐方面展现出一定的优势。氧化石墨烯的片层结构层层叠加、交错排列，在涂料中可形成复杂的网络屏蔽结构，能够有效抑制腐蚀介质的浸润、渗透和扩散，即“迷宫效应”，能提高涂料的物理阻隔性，从而减缓腐蚀。
[0004]氧化石墨烯应用于涂料中，由于氧化石墨烯的π
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π耦合，范德华力大和高比表面积使氧化石墨烯易于发生团聚容易团聚。氧化石墨烯团聚后不利于在涂料对应的涂层中形成具有阻隔作用的迷宫式的渗透路径，氧化石墨烯团聚后会降低涂层的致密性，在团聚区形成孔隙加剧腐蚀性气体的渗透，从而加快基材的腐蚀。此外氧化石墨烯团聚后与基材直接连接形成原电池也会促使基材提前发生腐蚀。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术旨在提供一种能抑制氧化石墨烯团聚的改性氧化石墨烯；本专利技术的第二目的是提供该改性氧化石墨烯的制备方法，本专利技术的第三目的是提供一种含有该改性氧化石墨烯的涂料。
[0006]技术方案：本专利技术的改性氧化石墨烯，氧化石墨烯表面通过硅烷偶联剂接枝锌，硅烷偶联剂一端与氧化石墨烯连接，一端与锌连接；所述的改性氧化石墨烯表面具有疏水微纳结构。
[0007]氧化石墨烯具有微米级的褶皱，改性氧化石墨烯表面附着纳米锌颗粒，形成纳米级“乳突”结构，形成类似于荷叶表面的疏水微纳结构。疏水性结构容易在外力作用下被破
坏，本专利技术的改性氧化石墨烯是通过硅烷偶联剂以共价键的形式将锌粉固定氧化石墨烯表面，结合较为稳固，疏水结构具有一定的耐磨性。
[0008]所述的锌、硅烷偶联剂和氧化石墨烯的质量比为1:0.03～0.08:1～3。硅烷偶联剂作为锌粉与氧化石墨烯的连接体，其用量的高低影响锌粉与氧化石墨烯之间的接枝效率，硅烷偶联剂用量过低时会导致接枝在氧化石墨烯表面的锌较少，偶联剂用量过多时容易发生自缩聚反应不利于硅烷偶联剂与锌接枝，两种情况下都不利于改性氧化石墨烯表面疏水微纳结构的形成；氧化石墨烯加入量过多时，其表面锌粉接枝量相对较少，氧化石墨烯用量过低时，容易造成改性锌粉过剩，改性锌粉不能有效接枝在石墨烯表面，影响改性氧化石墨烯表面疏水微纳结构的形成。
[0009]本专利技术的改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010](1)配置硅烷偶联剂水溶液，pH值调节至8～10，搅拌使硅烷偶联剂在水中预水解；调节体系pH值为碱性，硅烷偶联剂中的烷氧基硅发生水解，形成硅醇键，pH值过高碱性太强或者过低偏酸性时容易导致硅醇脱水缩合形成不溶物，pH值为中性时反应速度过慢不利于生产。水解方程式如下(以γ
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氨丙基三乙氧基硅烷KH550硅烷偶联剂为例)：
[0011][0012](2)将锌粉加入乙醇中，制成分散液。
[0013](3)将(1)和(2)的液体混合，40～70℃反应1～4小时；反应过程中硅烷偶联剂中的硅醇基团与锌粉表面的羟基基团脱水缩合，通过共价键连接在锌粉表面，反应温度过低反应较慢，温度过高硅烷偶联剂会自水解；反应结束后将反应液离心，洗涤去除未反应的硅烷偶联剂，烘干，得到硅烷偶联剂接枝在锌粉颗粒表面的固体粉末；反应方程式如下(以γ
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氨丙基三乙氧基硅烷KH550硅烷偶联剂为例)：
[0014][0015](4)将(3)制备的固体粉末加入N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)中，分散，再加入氧化石墨烯，继续分散均匀，升温至80～150℃反应4～8小时，过滤，干燥，即可得到改性氧化石墨烯固体粉末；DMF是氧化石墨烯的良溶剂，有利于氧化石墨烯的分散稳定性，同时DMF沸点较高适合中高温反应；反应温度控制在80～150℃，在此温度下硅烷偶联剂另一端的氨基官能团与氧化石墨烯中的环氧官能团发生开环反应，将氧化石墨烯与锌粉通过硅烷偶联剂连接在一起，反应温度过低不利于反应的进行，过高容易破坏硅烷偶联剂分子结构。反应方程式如下(以γ
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氨丙基三乙氧基硅烷KH550硅烷偶联剂为例)：
[0016][0017]优选的，所述的步骤(1)中硅烷偶联剂水溶液的质量分数为3～20％；硅烷偶联剂含量过高会导致硅烷偶联剂水解后的硅醇发生缩聚，过低反应效率低。
[0018]优选的，所述的步骤(2)中分散液中锌粉质量分数为5～25％；锌粉含量过低会导致生产效率降低，锌粉含量过高不利于接枝反应进行。
[0019]优选的，步骤(4)中N,N
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二甲基甲酰胺的质量为固体粉末总质量的50～70倍，溶剂过多反应效率降低，溶剂过少，分散不均匀，不利于反应进行。
[0020]本专利技术的一种涂料，含上述的改性氧化石墨烯。
[0021]所述涂料，按重量份包含活性稀释剂20～40份、含丙烯酸酯双键的低聚物40～70份、含氟丙烯酸酯1～5份、改性氧化石墨烯0.5～5份、光引发剂1～5份、流平剂0.1～3份、消泡剂0.1～3份、分散剂0.1～3份。其中含丙烯酸酯双键的低聚物、活性稀释剂在光引发剂和光照作用下发生聚合反应。改性氧化石墨烯具有疏水微纳结构，有助于涂料涂覆后涂层表面超疏水性能的形成；并且氧化石墨烯在涂料中充当阻隔填料，有助于氧化石墨烯“迷宫效应”的形成；此外改性石墨烯上接枝的锌粉对基材可起到电化学保护作用。活性稀释剂起到降低涂料粘度的作用。含氟丙烯酸酯用于降低涂料的表面能。
[0022]优选的，所述低聚物为环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯中的一种或多种。
[0023]优选的，所述光引发剂为自由基型引发剂2
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羟基
‑2‑
甲基
‑1‑
苯基
‑1‑
丙酮、1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性氧化石墨烯，其特征在于，在氧化石墨烯表面通过硅烷偶联剂接枝锌，硅烷偶联剂一端与氧化石墨烯连接，一端与锌连接，所述改性氧化石墨烯表面具有疏水微纳结构。2.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯，其特征在于，所述的锌、硅烷偶联剂和氧化石墨烯的质量比为1:0.03～0.08:1～3。3.权利要求1或2所述的改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配置硅烷偶联剂水溶液，pH值调节为8～10，搅拌使硅烷偶联剂在水中预水解；(2)将锌粉加入乙醇中，制成分散液；(3)将(1)和(2)的液体混合，40～70℃反应1～4小时，离心，洗涤去除未反应的硅烷偶联剂，烘干，得到硅烷偶联剂接枝在锌粉表面的固体粉末；(4)将固体粉末加入N,N
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二甲基甲酰胺中，分散，再加入氧化石墨烯固体粉末，继续分散均匀，升温至80～150℃反应4～8小时，过滤，干燥，即可得到改性氧化石墨烯。4.根据权利要求3所述的改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的硅烷偶联剂水溶液的质量分数为3～20％。5.根据权利要求3所述的改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的分散液中含锌粉质量分数为5...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，赵悦菊，郭淼，王建辉，郑永立，石金彪，赵春风，谢熙威，郭渊，李星伟，
申请(专利权)人：北京国电富通科技发展有限责任公司，
类型：发明
国别省市：