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石墨烯/环氧树脂复合涂料研究进展

2018-04-25 10:03
新材料在线
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2、存在的问题

由于石墨烯比表面积大(理论值约为2630m2/g)、表面能高,在环氧树脂中加量较大时会发生团聚和缠结,导致其在基体中的分散性、稳定性不佳。对于热学和电学性能来说,当添加少量石墨烯时,就可以达到渗流阈值,继续增加石墨烯含量,对耐热性和导电性进一步提升的幅度变小。但对于机械和力学性能、防腐性能,少量的石墨烯虽然可以提升性能,可到一定量时由于其在环氧涂层中的团聚,会在涂层中造成裂纹、应力集中点和缺陷,从而造成性能的下降。

伍方通过摩擦系数测量仪测量了不同含量G/EP涂层的干摩擦和海水摩擦中的摩擦系数,发现当G为1%(质量分数)时,涂层的摩擦系数和磨损率会上升。并指出这是由于G含量过高时,会在涂层中发生团聚造成裂纹,导致涂层在摩擦过程中易剥落,产生的磨屑增加了涂层的摩擦系数和磨损率。

Zhi等利用超声分散技术制备了G/EP复合涂料,并在涂层固化后进行三点弯曲试验,再利用场发射扫描电子显微镜(FE-ESM)观察涂层的断裂面。研究发现当石墨烯含量为1%(质量分数)时在涂层中分散较均匀,且当含量小于1%时涂料的韧性显著增加。但当含量达到2%时在涂层中会产生团聚,从而产生缺陷形成应力集中点,导致涂料的韧性降低。

Liu等将G作为缓蚀剂加入到环氧树脂E44体系中制备了G/EP复合涂层,并在3.5%的NaCl溶液中放置48h后测得了动电位极化曲线。

研究表明:0.5%(质量分数)G/E44与1%(质量分数)G/E44涂层的自腐蚀电位明显低于E44涂层,且0.5%G/E44的腐蚀电流密度(0.0551μA/cm2)远低于1%G/E44(0.934μA/cm2)和E44(0.121μA/cm2)涂层,说明石墨烯的加入使得环氧涂层的隔水性能得到了提高,降低了腐蚀介质的渗透。但添加过量的石墨烯会在涂层表面产生团聚,降低涂层的隔水性能。

3、功能化石墨烯/环氧涂料的研究进展

3.1功能化石墨烯

由于本征石墨烯表面的大π键结构具有疏水性和化学惰性,在环氧涂料中易堆叠聚集,导致石墨烯在环氧基体中难以充分发挥性能。为解决这一问题,国内外学者通过在石墨烯的基础上添加其他成分和结构,形成一种新型的功能化石墨烯。这种石墨烯在保持原有基本性能的同时,还会赋予一种新的特性,并且也可以根据对涂料性能的需求对石墨烯进行针对性的优化。

按照化学结构来看,石墨烯的功能化分为共价结合和非共价结合。共价结合是通过破坏石墨烯表面的π键结构,使其表面活性化,但这一稳定结构的破坏,会导致功能化石墨烯比本征石墨烯在导电、导热等性能上有所下降。非共价结合是指利用石墨烯具有的超大比表面积这一特点,通过表面吸附的方法,与其他拥有优异性能的粒子复合起来。这种方法虽然没有对石墨烯的基本结构产生破坏,保持了石墨烯固有的性能特点,但分散效果略逊于共价结合,一般需要添加稳定剂或进行超声分散。

虽然对于功能化石墨烯的研究还处于初步阶段,将其应用于环氧树脂防腐涂料的研究还较少。但已有部分学者通过某些官能团对石墨烯表面进行修饰后,加入环氧体系中,并证明了功能化石墨烯优于单纯的石墨烯的添加效果。

3.2功能化石墨烯在环氧涂料中的应用

Ghaleb等通过差示扫描量热仪分析了G/EP涂层和ch-G/EP(氯仿功能化石墨烯/环氧树脂)涂层的玻璃转化温度Tg,发现G/EP中只有在石墨烯体积含量为0.1%时的Tg高于纯EP,而ch-G/EP中的所有样品都高于纯EP的Tg。这是由于单纯的石墨烯在添加到一定量时会在涂层中形成团聚影响涂层性能,而经过氯仿功能化后的石墨烯能够很好地分散在涂层中。

Martin-GALLEGO等通过Au3+的化学还原,以在金粒子表面发生的自沉积所产生的金纳米粒子对石墨烯表面进行了功能化修饰,并通过超声分散将Au/G分散在光固化环氧涂料中。研究发现:在相同的添加量下,Au-G/EP的电导率要比G/EP高出约4个数量级。陈宇采用水热法,以甲阶酚醛树脂和氧化石墨烯作为原料,制备了酚醛树脂修饰的石墨烯气凝胶(p-GA),并以此作为导电填料与EP形成复合材料。研究发现:由于甲阶酚醛树脂的加入使得p-GA的三维网络结构更加完善牢固,添加少量的p-GA就可以获得优异的导电性能和电磁屏蔽性能。当填料含量为0.33%(质量分数)时,电导率为73S/m,电磁屏蔽性能达到35dB。

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