改性氧化石墨烯的制备及在聚合物防腐涂料中的应用

作     者：于倩倩 

作者单位：安徽大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨建军

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：氧化石墨烯 水性环氧树脂 聚乙烯亚胺 磺化聚苯胺 环糊精 

摘      要：碳钢作为最重要的结构材料之一,以其优异的性能应用于几乎整个工业领域。然而,碳钢的严重腐蚀往往导致众多的安全隐患和巨大的经济损失,最近的一项研究估计,中国每年腐蚀的总成本超过三千一百亿美元,占国内生产总值的3.4%。高分子材料被广泛用作金属表面与腐蚀环境之间的物理屏障,绝缘和保护金属结构不受腐蚀。环氧树脂在聚合物中因其特殊的性能而被广泛应用,例如,机械性能较高,耐腐蚀性好。现在,人们环保意识的提高,一系列环保政策的出台,涂料行业开始逐渐由溶剂型涂料向水性涂料转型,水性环氧树脂开始被广泛用作粘合剂和涂料。然而,水性环氧树脂在固化过程中会产生大量的微孔,导致外部腐蚀性介质快速渗透到保护基材上,严重限制了水性环氧树脂在工业中的应用。到目前为止,更有效地解决这一问题的方法是在涂料中使用微纳米填料,有效地阻止涂层由于水的蒸发而产生的微孔。为此,在水性环氧树脂中加入纳米粒子以提高涂料的耐蚀性得到了广泛的研究。以往的研究表明,水性环氧树脂复合材料具有良好的耐蚀性,尤其是含有层状微纳米填料的复合材料。石墨烯由于其独特的特性,能够阻止氧和水分子扩散到金属基材料的表面,从而保护金属免受氧化腐蚀,石墨烯及其衍生物已被成功地用作防腐剂,以提高涂层的耐蚀性,然而,石墨烯衍生物的水分散性仍然是一个挑战,严重影响了其在防腐方面的应用,用官能团对GO进行表面化学改性,促进了功能化GO在聚合物基体中的均匀分散。本实验基于对GO改性的基础上提供了三种方案以提高GO的水分散性和水性环氧树脂的防腐蚀性能。具体实验内容与结果概述如下:本文第一章首先阐述了金属腐蚀的危害及涂层防护的普遍性,然后重点介绍了石墨烯和氧化石墨烯及其改性方法和防腐思路,对环氧树脂和水性环氧树脂进行概括,最后归纳了纳米材料和高分子复合材料的几种制备方法。本文第二章针对GO分散性差的问题,利用PEI上大量的胺基功能化GO制备了PG复合材料,将制备的PG材料加入到水性EP中,结果表明,制备的PG复合材料可以稳定的分散在水性EP中,且当PG质量分数为0.5 wt%时,复合涂层的防腐蚀效率可达到99.76%。同时又考虑到PEI上的胺基和GO纳米片的锋利边缘,通过共混的方法制备PG改性的水性聚氨酯(PGWPU)复合材料,研究了PG的含量对抗菌率的影响,结果表明,当PG的含量为0.2 wt%时,胶膜抗菌率可达99.9%。本文第三章以氯磺酸、苯胺和过硫酸铵为主要原料合成磺化聚苯胺,利用GO上活性位点与制备的PG复合材料结合。PG与SPANI之间较强的π-π~相互作用,使得所得SPG复合材料较稳定,大大增加了GO在水溶液中的分散性。对产物进行水分散性分析和溶解度测试,发现所得产物可在环境中静置一个月不会出现沉淀现象,经过测试产物在水中的溶解度可达到15.8 mg·mL。通过盐雾试验和电化学测试,发现当SPG质量分数为2.5 wt%时,SPG/EP复合材料具有优异的耐腐蚀性,腐蚀效率最高可达99.19%。本文第四章结合环糊精的包覆性质和氧化石墨烯纳米片的抗渗性质,研制了一种新型聚乙烯亚胺修饰氧化石墨烯/环糊精纳米容器,以实现可自我修复的水性环氧树脂涂料。通过对所得产物进行FTIR和XRD等表征,表明复合材料PGCd-MBT被成功制备。此外TG结果和DSC结果表明,复合材料的加入提高了涂层的热稳定性,制备的容器具有较高的缓蚀剂承载能力。随后通过释放性实验证明了所制备的纳米容器具有p H响应性释放,可在涂层受到损伤时被快速的释放出来,有效地阻止进一步的腐蚀。盐雾试验进一步从表观上体现了复合涂层的耐蚀性,电化学数据从理论上证实了复合材料PGCd-MBT的加入对涂层防腐效果的改善。当PGCd-MBT的含量达到5 wt%时,腐蚀效率可以达到99.96%,在实际防腐应用中具有很大的潜力。