CN113174169A - 一种耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法、涂料及应用方法 - Google Patents

一种耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法、涂料及应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法、涂料及应用方法。本发明所述的制备方法包括：硬质颗粒放入双辉等离子表面处理炉内处理，同时将还原氧化石墨烯置于纯水中分散均匀；随后将处理过的硬质颗粒加入分散好的还原氧化石墨烯溶液中，使硬质颗粒表面包覆上还原氧化石墨烯层；将包覆后的硬质颗粒干燥后再次辉光处理；最后将等离子处理完成的硬质颗粒分步添加到聚四氟乙烯中得到特氟龙涂料。本发明中处理的硬质颗粒能够均匀分散到特氟龙涂料中，且颗粒表面包覆的rGO层又起到了良好的润滑减磨及填充显微孔隙、屏蔽腐蚀物的作用，使得均匀掺杂的特氟龙涂层耐磨防腐性能得到大幅改善。

Description

一种耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法、涂料及应用方法
技术领域
本发明属于有机涂料领域，特别涉及一种耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法、涂料及应用方法。
背景技术
特氟龙(聚四氟乙烯)具有良好的润滑性能，化学、高温稳定性和优良的润湿性，被广泛用于厨具，如不粘锅等表面防腐润滑涂层的制备。然而特氟龙涂层质地较软，使用期间易被磨损，尤其在厨房等油污环境下，腐蚀磨损的方式更是加剧了涂层的磨损，缩短了厨具的使用寿命。
目前，在特氟龙涂料中添加硬质颗粒以抵抗磨损已成为行之有效的方法，然而若加入硬质颗粒过大则难以喷涂均匀，并可能造成涂层内部显微裂纹；颗粒过小时由于表面能增大导致颗粒团聚，无法均匀混合。两者都极大地降低了涂层的疏水性能以及磨损的稳定性，同时，显微裂纹的存在也使得腐蚀物介质更易侵入，破坏涂层结构，进一步破坏涂层的磨损性能。因此改善添加物的分散性，避免喷涂后涂层内部出现颗粒团聚并在添加物附近产生裂纹成为改善涂层耐磨性能的关键因素。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法，采用大气等离子体对纳米级硬质颗粒进行表面改性，随后包覆还原氧化石墨烯后继续利用大气等离子体改善颗粒表面活性以提高包覆rGO层的纳米粒子在特氟龙涂层中的分散性，同时封闭颗粒旁的显微孔隙，以提高涂层的耐磨防腐性能。本发明还提供了通过该方法制备的涂料以及应用方法。
技术方案：本发明所述的一种耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硬质颗粒放入双辉等离子表面处理炉内，设备抽真空至30-50Pa之间，缓慢增加工作台电压并产生辉光，随后电压加至450-600V，处理时间为30-60min；所述硬质颗粒为Al2O3或SiC；在该步骤中，利用辉光放电产生的大气等离子体对纳米级硬质颗粒表面进行轰击改性，用以活化颗粒表面，增强其在溶液中的分散性。
(2)将还原氧化石墨烯(rGO)置于纯水中分散均匀，还原氧化石墨烯在纯水中的重量百分比在0.5‰-1‰之间，室温环境下进行超声震荡的同时进行高速搅拌，处理时间为20-30min。
(3)处理过的硬质颗粒加入分散好的还原氧化石墨烯溶液中，超声震荡同时高速搅拌，处理时间为15-25min，使硬质颗粒表面包覆上还原氧化石墨烯层。
(4)将步骤(3)中包覆后的硬质颗粒干燥后重复步骤(1)，继续活化颗粒表面，使表面的rGO官能化，减少颗粒团聚的同时增大与聚四氟乙烯的亲和性。
(5)将经过等离子处理完成的硬质颗粒分步添加到特氟龙涂料中，边搅拌边添加，完成添加后继续搅拌，得到掺杂的特氟龙涂料；掺杂的特氟龙涂料中经等离子处理后的rGO重量占比小于1％，硬质颗粒重量占比小于15％。
本发明所述的硬质颗粒的粒径≤1μm。
优选地，步骤(2)中，所述超声震荡的频率≥40kHz，所述超声震荡的功率≥180W，高速搅拌的转速≥2500r/min。
优选地，步骤(3)中，所述的超声震荡的频率≥40kHz，所述超声震荡的功率大于180W，高速搅拌的转速≥1200r/min。
优选地，步骤(5)中，所述搅拌速度≥800r/min。
本发明通过上述的方法制备的耐磨防腐特氟龙涂料。
本发明所述的一种在器具表面制备特氟龙涂层的方法，包括以下步骤：
(1)在器具表面用特氟龙底漆打底固化；
(2)利用上述方法制备的特氟龙涂料作为面漆喷涂并固化，在器具表面制备特氟龙涂层。用不掺杂的特氟龙底漆打底固化，避免包覆的rGO与基材直接接触产生电偶腐蚀；随后使用均匀掺杂的特氟龙涂料作为面漆喷涂并固化。
本发明中器具的材质可以为现有材质中的常见基材，如不锈钢(如304、316不锈钢等)或铝合金基材。
有益效果：(1)本发明通过在特氟龙涂层中增加硬质颗粒，提高了特氟龙涂层的耐磨性能；(2)本发明在硬质颗粒表面包覆了还原氧化石墨烯，起到了封闭及填充显微孔隙的作用，阻碍了腐蚀物的侵入，进一步提高其耐蚀性能；(3)本发明整个制备过程无毒绿色环保，能够应用于厨具表面，固化后所得涂层耐磨性能提升0.7倍以上，厨具所处腐蚀环境下的耐磨性能提升1倍以上。
附图说明
图1为实施例2中经过处理的硬质颗粒以及未处理的硬质颗粒的SEM图；其中，(a)图为未经处理的纳米氧化铝颗粒的形貌，从图中可以看出未处理的原始颗粒团聚严重；(b)图为步骤(3)处理后包覆还原氧化石墨烯的纳米氧化铝颗粒的形貌，从图中可以看出经过处理的纳米氧化铝颗粒包覆均匀良好；
图2为器具表面喷涂特氟龙涂料的SEM图；其中，(a)图为器具表面喷涂掺杂有未经处理的纳米氧化铝颗粒的特氟龙涂层的表面形貌，从图中可以看出，未处理直接添加氧化铝颗粒的涂层表面团聚严重，表面粗糙，存在明显显微裂纹；(b)图为器具表面喷涂实施例2制备的掺杂后的特氟龙涂层的表面形貌，从图中可以看出，经过本发明处理后的硬质颗粒在涂料中，表面大颗粒团聚物消失且更加均匀。
具体实施方式
实施案例1：(1)清洗干燥后的纳米氧化铝(Al2O3)颗粒均匀铺开置于托盘放入双辉等离子表面处理炉内，设备抽真空至40Pa，缓慢增加工作台电压并产生辉光，随后电压缓慢加至500V，处理时间为30min，以活化颗粒表面。
(2)将还原氧化石墨烯置于纯水中分散均匀，分散时rGO的重量百分比为1‰，室温下超声震荡的同时进行高速搅拌，超声频率40kHz，超声功率180W，搅拌转速为2500r/min，处理时间30min。
(3)处理过的纳米氧化铝颗粒加入分散好的rGO溶液中，室温下超声震荡同时高速搅拌，超声频率40kHz，超声功率180W，搅拌转速为1200r/min，时间为20min，使其表面包覆上rGO层，并干燥备用。
(4)包覆的氧化铝颗粒干燥后重复步骤(1)，继续活化颗粒表面，使表面的rGO层官能化，减少颗粒团聚的同时增大与水的亲和性。
(5)将等离子处理完成的包覆氧化铝颗粒分步添加到特氟龙涂料中，边搅拌边添加，完成添加后再高速搅拌30min，转速800r/min。最终加入的rGO重量在特氟龙涂料(本发明实施例中采用的特氟龙涂料为杜邦421g-119)中重量占比0.5％，氧化铝颗粒重量占比10％。
(6)用不掺杂含有粘结剂的特氟龙涂料作为底漆打底固化后，使用上述制备的均匀掺杂的特氟龙涂料作为面漆喷涂并固化，得到最终的特氟龙涂层。
抗磨性能实验：按照步骤(6)的制备方法，首先在不锈钢(316不锈钢)表面喷涂特氟龙底涂料，厚度在10-15μm，随后分别将实施例1制备的掺杂后的特氟龙涂料和未掺杂的特氟龙涂料喷涂至具有底漆的不锈钢表面，厚度20μm左右，分别得到应用样品和对比样品。在往复式磨擦磨损试验机上，使用4.5mm直径的GCr15小球作为对磨副测试其抗磨性能，载荷6.2N，测试时间15min。结果显示经过本发明改性后的涂层比磨损率为7.5mm3·N-1·m-1×10-3，该条件下未掺杂的特氟龙涂层比磨损率为12.6mm3·N-1·m-1×10-3，是实施例1制备的掺杂后的涂层磨损量的1.7倍。腐蚀环境测试磨损性能时，将制备的样品在3.5％的氯化钠溶液中浸泡一周后，继续在质量浓度为3.5％的氯化钠溶液中用上述同样参数(载荷6.2N，测试时间15min)测试样片的磨损性能，掺杂特氟龙涂层的样品比磨损率为9.1mm3·N-1·m-1×10-3，未掺杂特氟龙涂层的样品比磨损率为18.1mm3·N-1·m-1×10-3，约是改性后涂层磨损量的2倍。
实施案例2：(1)清洗干燥后的纳米氧化铝颗粒(平均粒径为500nm)均匀铺开置于托盘放入双辉等离子表面处理炉内，设备抽真空至50Pa，缓慢增加工作台电压并产生辉光，随后电压缓慢加至550V，处理时间为30min，活化颗粒表面。
(2)将还原氧化石墨烯置于纯水中分散均匀，分散时rGO的重量百分比为0.5‰，室温下超声震荡的同时进行高速搅拌，超声频率40kHz，超声功率180W，搅拌转速为3000r/min，处理时间30min。
(3)处理过的纳米氧化铝硬质颗粒加入分散好的rGO溶液中，室温下超声震荡同时高速搅拌，超声频率40kHz，超声功率180W，搅拌转速为1200r/min，时间为20min，使其表面包覆上rGO层，并干燥备用。对处理后的纳米氧化铝颗粒(图1中的(b)图所示)与未经处理的纳米氧化铝颗粒(图1中的(a)如所示)进行扫描电镜的观察，从图中可以看出，未经处理的纳米氧化铝颗粒团聚严重，而经过处理的纳米氧化铝颗粒包覆的均匀性良好。
(4)包覆的氧化铝颗粒干燥后重复步骤(1)，继续活化颗粒表面，使表面的rGO层官能化，减少颗粒团聚的同时增大与水的亲和性。
(5)将等离子处理完成的rGO包覆氧化铝颗粒逐步添加到特氟龙涂料中，边搅拌边添加，完成添加后再高速搅拌30min，转速1200r/min，得到掺杂的特氟龙涂料。最终添加的rGO重量占特氟龙涂料的0.8％，氧化铝颗粒重量占比12％。
(6)用不掺杂含有粘结剂的特氟龙涂层作为底漆打底固化后，使用上述制备的均匀掺杂的特氟龙涂料作为面漆喷涂并固化，得到最终的特氟龙涂层。
按照步骤(6)的制备方法，首先在不锈钢(316不锈钢)表面喷涂特氟龙底涂料，厚度在10-15μm，随后分别将实施例2制备的掺杂后的特氟龙涂料和未掺杂的特氟龙涂料喷涂至具有底漆的不锈钢表面，厚度20μm左右，分别得到应用样品和对比样品(两层未处理的特氟龙涂料)。在往复式磨擦磨损试验机上使用4.5mm直径的GCr15小球作为对磨副测试其抗磨性能，载荷6.2N，测试时间15min。结果显示改性后的涂层比磨损率为6.4mm3·N-1·m-1×10-3，该条件下原始特氟龙涂层比磨损率为12.6mm3·N-1·m-1×10-3，约是改性后涂层磨损量的2倍。腐蚀环境测试磨损性能时，将样品在质量浓度为3.5％的氯化钠溶液中浸泡一周后，继续在3.5％的氯化钠溶液中用上述同样参数(载荷6.2N，测试时间15min)测试样片的磨损性能，掺杂特氟龙涂层的样品比磨损率为7.4mm3·N-1·m-1×10-3，掺杂特氟龙涂层的样品比磨损率为18.1mm3·N-1·m-1×10-3，约是改性后涂层磨损量的2.5倍。
实施案例3：(1)清洗干燥后的纳米碳化硅颗粒(平均粒径为500nm)均匀铺开置于托盘放入双辉等离子表面处理炉内，设备抽真空至45Pa，缓慢增加工作台电压并产生辉光，随后电压缓慢加至550V，处理时间为30min，活化颗粒表面。
(2)将还原氧化石墨烯置于纯水中分散均匀，分散时rGO的重量百分比为0.5‰，室温下超声震荡的同时进行高速搅拌，超声频率40kHz，超声功率240W，搅拌转速为3000r/min，处理时间30min。
(3)处理过的纳米碳化硅硬质颗粒加入分散好的rGO溶液中，室温下超声震荡同时高速搅拌，超声频率40kHz，超声功率240W，搅拌转速为1200r/min，时间为20min，使其表面包覆上rGO层，并干燥备用。
(4)包覆的碳化硅颗粒干燥后重复步骤(1)，继续活化颗粒表面，使表面的rGO层官能化，减少颗粒团聚的同时增大与水的亲和性。
(5)将等离子处理完成的rGO包覆碳化硅颗粒逐步添加到特氟龙涂料中，边搅拌边添加，完成添加后再高速搅拌30min，转速1200r/min。最终添加的rGO重量占未喷涂特氟龙涂料的0.8％，碳化硅颗粒重量占比15％。
(6)用不掺杂含有粘结剂的特氟龙涂料作为底漆打底固化后，使用上述制备的均匀掺杂的特氟龙涂料作为面漆喷涂并固化，得到最终的特氟龙涂层。
按照步骤(6)的制备方法，首先在不锈钢(316不锈钢)表面喷涂特氟龙涂料，厚度在10-15μm，随后分别将实施例3制备的掺杂后的特氟龙涂料和未掺杂的特氟龙涂料喷涂至具有底漆的不锈钢表面，厚度20μm左右，分别得到应用样品和对比样品(两层未处理的特氟龙涂料)。在往复式磨擦磨损试验机上使用4.5mm直径的GCr15小球作为对磨副测试其抗磨性能，载荷8.2N，测试时间15min。结果显示改性后的涂层比磨损率为9.8mm3·N-1·m-1×10-3，该条件下原始特氟龙涂层比磨损率为22.5mm3·N-1·m-1×10-3，约是改性后涂层磨损量的2.3倍。腐蚀环境测试磨损性能时，将制备的样品在质量浓度为3.5％的氯化钠溶液中浸泡一周后，继续在3.5％的氯化钠溶液中用上述同样参数(载荷8.2N，测试时间15min)测试样片的磨损性能，掺杂特氟龙涂层的样品比磨损率为11.2mm3·N-1·m-1×10-3，未掺杂特氟龙涂层的样品比磨损率为30.7mm3·N-1·m-1×10-3，约是改性后涂层磨损量的2.7倍。
对比例1：(1)将纳米氧化铝硬质颗粒加入纯净水中分散，氧化铝颗粒重量占比20％，室温下超声震荡同时高速搅拌，超声频率40kHz，超声功率180W，搅拌转速为1200r/min，时间为20min，完成后干燥处理。
(2)将干燥好的氧化铝颗粒逐步添加到特氟龙涂料中，边搅拌边添加，完成添加后再高速搅拌30min，转速1200r/min，最终氧化铝颗粒重量占整体涂料的12％。
(3)用不掺杂含有粘结剂的特氟龙涂料作为底漆打底固化后，使用上述制备的均匀掺杂的特氟龙涂料作为面漆喷涂并固化，得到最终的特氟龙涂层。
利用实施例2和对比例1在316不锈钢基材上进行涂层制备(均先用特氟龙涂料打底)，得到的特氟龙涂层表面状态如图2所示，从图2可以看出，经过本发明处理后的硬质颗粒在涂料中，表面大颗粒团聚物消失且更加均匀。
以上所述为本发明的优选方案，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硬质颗粒放入双辉等离子表面处理炉内，设备抽真空至30-50Pa，缓慢增加工作台电压并产生辉光，随后电压加至450-600V，处理时间为30-60min；所述硬质颗粒为Al2O3或SiC；
(2)将还原氧化石墨烯置于纯水中分散均匀，还原氧化石墨烯在纯水中的重量百分比在0.5‰-1‰之间，室温环境下进行超声震荡的同时进行高速搅拌，处理时间为20-30min；
(3)处理过的硬质颗粒加入分散好的还原氧化石墨烯溶液中，超声震荡同时高速搅拌，处理时间为15-25min，使硬质颗粒表面包覆上还原氧化石墨烯层；
(4)将步骤(3)中包覆后的硬质颗粒干燥后重复步骤(1)；
(5)将经过等离子处理完成的硬质颗粒添加到特氟龙涂料中，边搅拌边添加，完成添加后继续搅拌，得到掺杂的特氟龙涂料；掺杂的特氟龙涂料中经等离子处理后的rGO重量占比小于1％，硬质颗粒重量占比小于15％。
2.根据权利要求1所述的耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法，其特征在于，所述硬质颗粒的粒径≤1μm。
3.根据权利要求1所述的耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超声震荡的频率≥40kHz，超声震荡的功率≥180W，高速搅拌的转速≥2500r/min。
4.根据权利要求1所述的耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述超声震荡的频率≥40kHz，超声震荡的功率≥180W，所述高速搅拌转速≥1200r/min。
5.根据权利要求1所述的耐磨防腐特氟龙涂料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述搅拌速度≥800r/min。
6.一种如权利要求1所述的方法制备的耐磨防腐特氟龙涂料。
7.一种在器具表面制备特氟龙涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在器具表面用特氟龙底涂料作为底漆打底固化；
(2)利用如权利要求1的方法制备的特氟龙涂料作为面漆喷涂并固化，在器具表面制备特氟龙涂层。
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