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新型石墨烯功能涂料防腐机理

        目前,环氧富锌涂料是一种耐腐蚀性能较好的重防腐涂料,被广泛应用于金属重防腐领域。环氧富锌涂料中的锌为牺牲性阳极,在涂料中的含量必须大于70%。然而,由于涂层中锌粉含量过高,涂层容易多孔,附着力下降,且富锌涂层在起阴极保护作用时产生较多的锌盐,具有涂膜的自修补作用,但影响上层涂料和富锌涂层之间的结合力,从而导致涂层的防腐蚀性能降低。

        高锌粉含量带来的主要问题有:

(1)漆膜的致密性下降,孔洞等缺陷数量增加,影响涂层的耐水性、附着力以及耐冲击性能等。

(2)高锌粉含量给富锌底漆的生产、储运以及施工等带来诸多不便。金属锌在生产和配制涂料时,分散稳定较为困难,在储存过程中容易产生严重的沉淀现象。

(3)含有富锌底漆的钢铁基材在焊接和切割时会由于底漆中的高锌粉含量,产生大量的锌蒸汽,可能会导致工作人员产生“锌热病”,危害工作人员的身体健康。

        传统的重防腐涂料体系为富锌底漆、环氧云铁中间漆和面漆三种涂层,在防腐性能方面存在着一定的技术瓶颈。高性能石墨烯重防腐涂料通过材料与配方设计的多重创新,突破了国内防腐材料体系(环氧富锌体系结合环氧云铁中间漆,配套丙烯酸聚氨酯面漆或氟碳面漆)的技术瓶颈,获得了革命性的技术创新与进步,极大提升了国内高性能腐蚀防护的能力与技术水平,对国内高端防腐涂料技术的发展具有重要意义。


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        在富锌涂料中,通常依赖涂层中大量的锌粉粒子形成导电通路,从而发挥牺牲阳极保护阴极作用;而在锌烯涂料中,通过添加少量石墨烯,代替大部分锌粉,高比表面石墨烯微粉与锌粉粒子一起形成完整的导电网络,在电化学回路中,石墨烯能够调动所有锌粉粒子,从而发挥优越的防腐效果,避免了锌粉大量浪费。

        石墨烯作为防腐添加剂具有以下特点:

(1)物理隔绝作用。石墨烯的二维片层结构,使其在涂料中层层叠加,可形成致密的物理隔绝层,起到突出的物理隔绝作用。

(2)大面积保护层。石墨烯比表面积高达2630m2/g,使其在涂料中均匀分散后,较薄的涂层即可形成大面积的保护层。

(3)石墨烯本身具有憎水、憎油性。其片层结构具有“迷宫”效应,可阻碍水、腐蚀性离子等向金属基材的渗透,延缓金属基材的腐蚀速度,进而对基材起到防腐作用。

(4)优异的导电性。稳定的晶格结构使碳原子具有优良的导电性。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。虽然锌烯重防腐涂料大幅度降低了锌粉含量,但漆膜中均匀分散的石墨烯纳米片形成致密的、连续的网状片层导电结构,与锌粉搭接形成导电通路,从而活化涂料中的锌粉,使整个涂层与钢铁基材体系形成电化学回路,提高了涂层的阴极保护作用。  

(5)小尺寸的石墨烯可以填充到涂层的缺陷中。在一定程度上阻止和延缓了分子腐蚀介质侵入金属基体,增强了涂层的物理隔绝作用。


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        图中不难发现,环氧树脂涂层存在孔洞和缺陷,水分子比较容易通过涂层中的孔洞和缺陷渗透到金属基体,对金属基体进行腐蚀。而(b)图中,石墨烯均匀分散在环氧树脂基体,并且石墨烯微片能够填充到环氧树脂的孔洞和缺陷中。因此,石墨烯可以明显提高漆膜的致密性和耐水性,有效防止水、氧气等小分子浸入到金属基体表面,降低涂层的鼓泡和腐蚀程度。

        同时,纳米厚度的石墨烯具有很好的柔性,可以与环氧高分子链有一定的柔性缠绕和卷曲,这种包裹缠绕对涂层具有增韧和补强作用;而且,石墨烯片层结构可以很好的阻止腐蚀介质蔓延和侵蚀,使涂层表现出很优异的屏蔽性能。

        锌烯重防腐涂料利用石墨烯良好的屏蔽性和导电性,与锌粉的阴极保护协同作用漆膜中的石墨烯与锌粉相互搭接形成 “石墨烯+锌粉”导电网络,利用石墨烯良好的化学稳定性及导电性激活涂料中的锌粉,既可提高漆膜的防腐性能,又能改善漆膜的物理机械性能、耐水性和耐酸碱等。

        新型石墨烯功能涂料环境友好性突出,由于锌烯重防腐涂料漆膜中锌粉的含量只有传统富锌涂料的不到二分之一,由此彻底改变传统富锌涂料对金属锌资源的依赖,节约资源;在后期加工过程中可以减少氧化锌雾气,有利于施工人员的身体健康,环境友好,促进了重防腐涂料行业的结构调整和健康发展。

        新型石墨烯功能涂料施工性能更优异,相比于传统富锌涂料,锌烯重防腐涂料在使用中,漆膜表面只产生少量的锌盐,因此与其他涂料间的兼容性、层间结合力也明显优于传统富锌底漆,同时锌烯重防腐涂料相比于传统富锌涂料具有更长的重涂间隔。

        新型石墨烯功能涂料用量更省,由于漆膜中锌粉用量大幅度减少,添加的石墨烯比表面积非常大、比重小,因此锌烯重防腐涂料的体积固含明显高于传统的富锌底漆,在同等质量固含的条件下,其体积固含约为传统富锌底漆的1.5倍;因此在同样的设计膜厚条件下,锌烯重防腐涂料用量比富锌底漆节约1/3以上。

        石墨烯重防腐涂料具有优良的附着性、抗渗性及稳定性,同时兼具突出的机械性能和摩擦学性能,在航空航天、军工、船舶、道路桥梁、汽车等领域有着广阔的应用前景。

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