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石墨烯/环氧树脂复合涂料研究进展

导读: 环氧树脂(EP)因具有不同的分子结构,可以表现出不同的性能。且由于易与不同的固化剂、稀释剂、助剂等混合使用,制备出具备优异的机械、力学、热学、粘结性、绝缘和防腐性能的环氧树脂材料,而被广泛应用于防腐涂料。

环氧树脂(EP)因具有不同的分子结构,可以表现出不同的性能。且由于易与不同的固化剂、稀释剂、助剂等混合使用,制备出具备优异的机械、力学、热学、粘结性、绝缘和防腐性能的环氧树脂材料,而被广泛应用于防腐涂料。但随着应用环境复杂化,单纯的EP涂料表现出一些不足:一是由于热导率低导致耐热性差,多数EP只适用于100℃以下的环境;二是因固化后交联密度大,以致于摩擦系数高,耐磨性和耐冲击性差;三是电阻率高易产生静电效应;四是固化后易产生缺陷,影响防腐性能。为更好地利用EP的优点,常加入填料以改善性能。

石墨烯因其独特的晶体结构和优异的物理性能及其衍生物可引发聚合反应等特点,引入柔性链段,在改善树脂基材料性能方面具有巨大的潜力。由于石墨烯的比表面积大、表面能高,作为填料添加到环氧树脂中时易团聚,从而影响涂料性能。为将石墨烯均匀分散到环氧基体中,学者们进行了大量研究。从最初的简单混合,发展到超声分散技术,进而利用硅烷偶联剂改善石墨烯与环氧树脂之间的接合性和相容性。研究发现:石墨烯的加入利于提高涂料性能,但当添加到一定量时,由于石墨烯的堆积会影响涂料性能的进一步提升。近几年,部分学者通过对石墨烯表面进行官能团修饰,制备出了功能化石墨烯,发现其在保留石墨烯基本特性的同时,可改善与环氧基体的接合性,使得石墨烯/环氧树脂复合涂料的研究有了新的进展。

1、石墨烯/环氧树脂涂料的研究进展

从热学性能来看,石墨烯是目前所知具有最高热导率的材料(单层约为5000W/mK),作为填料加入可提高环氧的耐热性;从机械性能和力学性能来看,石墨烯由sp2杂化的平面碳原子构成,具有高模量、高强度,且石墨烯层间具有较低的剪切力和低摩擦系数,容易转移到环氧涂层对偶表面形成转移膜,与环氧复合使用后可提高涂层的耐磨性与耐冲击性;从电学性能来看,石墨烯单层理论电阻率约为10-6Ω·m,且由于其堆密度低,在环氧树脂中添加少量石墨烯时就可以拥有良好的导电性;从防腐性能来看,由于石墨烯的小尺寸效应和二维片层结构,可改善环氧涂层中的缺陷,使其可在涂层中形成致密的隔绝层,从而减轻腐蚀。

1.1热学性能

黄坤等以石墨烯为填料加入到环氧、环氧改性有机硅、乙烯基树脂3个体系中,通过烘烤实验和电热老化实验测试了石墨烯对涂层耐温性和电热耐老化性的影响。结果表明:与不加石墨烯相比,三者的耐温性都得到了提高,且在通电500h后,环氧出现类似后固化的过程,使得固化后交联更致密,石墨烯收缩也更紧凑,耐热性更好。Yang等通过研究石墨烯片(G)/多壁碳纳米管(MWCNTs)/环氧树脂(EP)复合材料,发现G与MWCNTs之间存在协同效应,由于这种桥接作用,使得其与EP的接触面积变大,避免填料团聚。测得复合材料热导率为0.321W/mK,较纯EP(0.13W/mK)提高了146.9%。

1.2耐磨增韧性能

伍方将石墨烯(G)和氧化石墨烯(GO)用于改善碳化硅与环氧树脂之间的界面结构,实验测得G/EP复合涂层在干摩擦和海水摩擦中的摩擦系数较纯EP涂层降低了14.5%和33.7%,磨损率降低了69.1%和32.1%;GO/EP复合涂层的摩擦系数较纯EP涂层降低了15.6%和35.5%,磨损率降低了79%和67.9%。任小孟等制备了G、GO/EP复合材料,考察两者对EP的增韧增强效果。研究表明:当G与GO质量分数为2%时,复合材料的断裂韧性分别增加102%和48.5%;当G与GO质量分数为1%时,复合材料的强度分别增加18%和2%。

1.3电学性能

王国建等通过自制的石墨烯与商业级碳纳米管、富勒烯以及石墨分别作为纳米导电材料加入EP中制备复合材料,研究其电学性能。研究表明:G是一种优于碳纳米管、富勒烯和石墨的导电填料,当G的体积分数为0.25%时,复合材料的电导率发生渗流突变,说明此时G已经在EP中形成了导电网络通道;当体积分数超过0.5%时,电导率趋于稳定达到2.02×10-7S/m。Serena等通过自制的金刚石和石墨烯/环氧树脂复合材料,对比了两者的电学性能。结果表明:石墨烯的阈值远低于人造金刚石,当石墨烯添加量为0.5%(体积分数)时,复合材料的电阻率从7.14×107Ω·m下降到1.02×103Ω·m,这是由于石墨烯是一种优异的电导体。

1.4防腐性能

周楠等以生物基没食子酸(GA)和环氧氯丙烷(ECP)为原料,合成了没食子酸基环氧树脂(GEP),并以此作为石墨烯分散剂,制备了GEP-G/EP复合涂层。通过利用涂层吸水率、Tafel极化曲线和中性盐雾测试对防腐性能进行了表征。研究表明:相比纯EP涂层,该涂层极化电阻和自腐蚀电流密度提高了1个数量级,且吸水率下降了0.22%,耐盐雾性也得到了有效提高。王玉琼等以聚丙烯酸钠作为分散剂,通过高速离心机分散2h,再超声分散30min后,得到了石墨烯水性分散液,并制备了G含量为0.5%(质量分数)的G/水性环氧树脂E44复合涂层。研究表明:石墨烯的加入提高了水性环氧的隔水效果,且较纯E44涂层的Fick扩散系数降低了2个数量级;纯E44涂层自腐蚀电流密度为0.13μA/cm2,而G/E44复合涂层的自腐蚀电流密度仅为0.038μA/cm2。


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