改性氧化石墨烯/聚氨酯复合涂层的抗风沙冲蚀性能研究

作     者：马思晗 

作者单位：内蒙古工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郝贠洪;陈超

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：钢结构涂层 改性聚氨酯 改性氧化石墨烯 风沙冲蚀 紫外老化 抗冲蚀性能 损伤机理 

摘      要：钢结构作为主要结构形式之一,应用范围越来越广泛。内蒙古地区沙漠分布广泛,紫外辐照强度大,时间长,建设在沙漠及周边地区的钢结构建筑及设施长期受到风沙侵蚀与紫外辐照老化作用,造成钢结构表面防护涂层受到侵蚀及老化破坏,最终钢基体外露并发生腐蚀,对钢结构造成安全隐患,严重降低其使用寿命。本文针对钢结构聚氨酯(PU)涂层,利用氧化石墨烯(GO)优异的力学性能对钢结构聚氨酯涂层进行改性,通过改性制备出提升钢结构涂层的防护性能的改性氧化石墨烯/聚氨酯(FGO/PU)复合涂层,并对其抗风沙冲蚀性能以及受到紫外辐照老化后的抗冲蚀性能进行研究。课题受到国家自然科学基金项目《风沙环境下钢结构涂层侵蚀力学行为及损伤评价研究》(批准号:11162011);《内蒙古中西部大温差强紫外环境下钢结构涂层受风沙侵蚀损伤机理研究》(批准号:11862022)的资助;内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2018MS05047);内蒙古自治区草原英才资助项目;内蒙古高校青年科技英才支持计划(NJYT-17-A09)。课题研究内容如下:1.通过化学改性和物理分散制备了均一分散且不同含量(0 wt.%、、0.5 wt.%、1.0 wt.%和2.0 wt.%)的改性氧化石墨烯/聚氨酯复合涂层,并使用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)对氧化石墨烯改性前后官能团、晶体结构等进行分析,以及对不同填料含量的涂层断面形貌进行分析。结果表明:改性处理使氧化石墨烯可以较好的分散在聚氨酯涂层中,且填料含量为2.0 wt.%时,涂层中出现大量改性氧化石墨烯团聚体。2.测定了不同填料含量的改性氧化石墨烯/聚氨酯复合涂层的硬度和柔韧性等力学性能,测试结果表明添加了分散性良好的改性氧化石墨烯的聚氨酯复合涂层硬度出现上升,当改性氧化石墨烯含量为0.5 wt.%时,复合涂层硬度及柔韧性最佳,改性氧化石墨烯含量为2.0wt.%时的涂层硬度及柔韧性均低于普通聚氨酯涂层;当含量进一步增加时,涂层内改性氧化石墨烯趋于饱和,开始发生团聚现象,导致涂层力学性能逐渐下降。3.对普通聚氨酯涂层和改性氧化石墨烯/聚氨酯复合涂层进行了模拟风沙冲蚀试验,并采用SEM分析了改性氧化石墨烯/聚氨酯复合涂层受风沙冲蚀后的损伤形貌和损伤机理。结果表明:氧化石墨烯在涂层中具有较好的分散性以及与基材较好的相容性,增强了涂层力学性能及耐磨性,使涂层的抗冲蚀性能明显增强,冲蚀率平均下降43.52%;涂层受到不同角度冲蚀会具有较为明显的损伤形貌特征和不同的损伤机理。4.对普通聚氨酯涂层和改性氧化石墨烯/聚氨酯复合涂层进行了模拟紫外老化试验,分析紫外老化对聚氨酯化学结构和组成元素的影响,以及紫外老化作用对涂层力学性能的影响,并对经过不同紫外老化时长的涂层进行模拟风沙冲蚀试验,结果表明:模拟三年紫外环境老化后,改性氧化石墨烯/聚氨酯复合涂层较普通聚氨酯涂层冲蚀率降低58.05%,加入改性氧化石墨烯涂层抗紫外老化后冲蚀性能也得到明显增强。