CN115386255A - 一种二维材料改性生漆海洋防腐涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维材料改性生漆海洋防腐涂料及其制备方法，将Ti3AlC2刻蚀，得到具有片层结构的Ti3C2，并超声剥离为分散液。随后在乙醇溶液中通过烷基硅氧烷的醇解反应，以及Ti3C2表面丰富的羟基活性位点，将脂肪链接枝在二维材料表面，使Ti3C2由亲水性转变为亲油性。最后将合成的二维材料分散在广油，配置成缓蚀剂，并添加到生漆中，制备生漆基海洋防腐涂料。本发明制备的涂层不仅因为二维材料的阻隔作用，制造了迷宫效应，延长了腐蚀路径，还通过与广油的协同作用，改善了二维材料在有机涂料中的分散性和相容性，提升了涂层的光泽度，起到了协同防腐的效果，与原始生漆涂层相比，耐腐蚀性能提高了1‑2个数量级。
Description
技术领域
本发明属于有机涂层海洋防腐领域，具体涉及一种二维材料改性生漆海洋防腐涂料及其制备方法。
背景技术
海上油气管道、港口设施、海上风电设施、大型船舶等都离不开钢结构，海洋和近海环境恶劣的高盐度、高湿自然环境会加速钢材的腐蚀和失效，严重威胁到海洋工程设备和近海结构物的服役寿命和安全。电化学腐蚀是引起金属劣化的重要因素之一，将有机高分子涂层应用于金属表面是最方便、最直接、最经济的电化学防腐蚀策略手段。因为它不仅适用于新建设的基础设施，也适用于已经存在和服役的旧设备和船舶。目前采用的溶剂型和水性防腐涂料在形成涂膜的过程中不可避免地会出现溶剂或水的挥发引起收缩、应力松弛和内部缺陷，严重削弱涂层对腐蚀性介质的抵抗力，导致涂层寿命大大降低。因此，开发新型轻量化、低掺量、高性能防腐涂料已成为提高海洋工程装备的服役寿命和使用安全性的关键需求，迫切需要研究新型的高性能、多功能海洋和近海等特殊和极限环境设施使用的金属防腐涂料。
生漆素有我国“三大宝”之誉，具有防腐蚀、耐强酸、耐强碱、防潮绝缘、耐高温等优良性能，通过漆酶催化氧化，在温和的条件下固化成膜。自新石器时代以来，主要被用工艺美术领域，由于其涂层非常稳定、耐用、不渗透，并对腐蚀性介质表现出优异的耐化学性，在金属防腐蚀涂料中也得到应用，如漆酚钛螯合高聚物防腐蚀涂料具有优异的耐强酸、强碱和高温性能。与其他有机涂层类似，生漆应用于金属材料的防腐蚀中，固化过程产生的缺陷和不均匀性是其腐蚀失效的重要原因。
二维纳米材料具有高直径/厚度比、突出的水和氧阻隔性能、离子不渗透性和化学稳定性，将具有纳米屏障效应的二维材料引入有机涂层中，有利于在涂层内部形成迷宫效应，延长腐蚀介质的渗透路径。其中，二维过渡金属碳化物/氮化物Ti3C2纳米材料具有较大的横向比、丰富的表面化学性质和优异的导电和导热性能，在电磁屏蔽材料，储能、催化、吸附等领域具有广阔的应用前景。特别是Ti3C2在基准面方向具有高的弹性模量，弯曲强度高于相同厚度的石墨烯。单层的Ti3C2弹性模量约300 GPa，大于大部分的层状二维材料，Ti3C2的巨大的比表面积，容易形成大面积、微纳米厚度的保护层。因此，Ti3C2有着巨大潜力改善有机涂料的防腐和耐磨性能。制备并推广防腐性能优异的生漆基防腐涂层，其经济效益和社会效益是不可估量的。
发明内容
本发明的目的在于针对天然生漆涂料在海洋环境中防腐能力的不足，提供一种二维材料改性生漆海洋防腐涂料的制备方法。通过本发明制备的防腐涂料，不仅具备了二维片层材料提供的阻隔作用，延长了腐蚀离子渗透的路径，还与广油起到了协同防腐的效果，相比原始生漆涂层，防腐能力提升了1-2个数量级。此外接枝了脂肪链的Ti3C2纳米片能与广油很好的相溶，均匀分散在生漆涂料中，避免了团聚现象的发生，有效弥补了生漆自然干燥后产生的缺陷。广油的加入还显著提高了生漆的光泽度，使涂层更为光亮美观。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二维材料改性生漆海洋防腐涂料的制备方法包括以下步骤：
（1）将Ti3AlC2刻蚀，得到具有片层结构的Ti3C2，并超声剥离为Ti3C2少层分散液。随后在乙醇溶液中通过烷基硅氧烷的醇解反应，以及Ti3C2表面丰富的羟基活性位点，将脂肪链接枝在二维材料表面，使Ti3C2由亲水性转变为亲油性，得到亲油型Ti3C2纳米片。
（2）将亲油型Ti3C2纳米片分散在广油（熟桐油、聚合桐油），配置成一定比例的缓蚀剂，并按不同质量比添加到生漆中，制备出二维材料改性生漆海洋防腐涂料。
进一步地，Ti3C2少层分散液是通过氟化锂和盐酸刻蚀Ti3AlC2并通过超声、离心剥离得到；所述的Ti3C2少层分散液，其溶剂为去离子水，Ti3C2层数小于5层，且浓度为10-15mg/ml。
进一步地，所述的烷基硅氧烷为十二烷基硅氧烷、十八烷基硅氧烷中的一种，一方面改性Ti3C2，增加与涂料、广油的相容性，另一方面使涂层的接触角变大，表面疏水，提升防腐性能；广油由生桐油在230度℃下熬制6h而成，用于提升防腐性能，而其他油类物质加入生漆无法自然干燥成膜。
进一步地，所述缓蚀剂中Ti3C2的浓度为2-5 mg/ml，添加比例为生漆质量的1%-10%。
本发明所制备的生漆基海洋防腐涂料，不仅保持着天然生漆良好的物理机械性能，而且显著提升了生漆在海洋环境中的耐腐蚀性能，可用于金属基材的保护。同时涂料的光泽度也得到了大幅度提升，涂层更为光亮美观。
与现有技术相比，本发明涉及的二维材料改性生漆海洋防腐涂料的优点在于：二维材料改性生漆海洋防腐涂料以天然生漆作为基底树脂，是环境友好材料，无毒、无污染，且价格低廉；二维材料Ti3C2层状结构明显，比表面积大，阻隔效果好，改性后亲油疏水，使生漆涂料拥有优异的防腐性能；再将桐树果实压榨而成的桐油高温熬制，形成聚合度更高的广油，以此充当分散剂和缓蚀剂，与二维材料共同起到提升生漆交联密度和防腐性能的作用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述，但不受限于这些实施例，本发明所使用的熟桐油购买自陕西龙头国漆厂，熟桐油又可称为广油、明油。
实施例1
(1) 将1 g Ti3AlC2、2 g氟化锂加入9M盐酸中反应48 h，反应温度控制在40 ℃。反应结束后，将产物在3500转下离心5分钟，并用2 M盐酸和去离子水多次洗涤，直至上层液pH达到6。
(2) 将步骤（1）中的产物继续加去离子水离心，当溶液中没有出现固液分离时停止离心，倒入洗气瓶中，通入惰性气体，并在冰浴环境下超声1h。最后3500转下离心30分钟，测定分散液浓度为10 mg/ml。
(3) 取步骤（2）制备的分散液加入200 ml乙醇和10 ml氨水混合液中搅拌24 h，再加入十八烷基三乙氧基硅烷继续搅拌24 h。最后离心、洗涤、干燥，得到亲油型Ti3C2纳米片。
(4) 将步骤（3）中得到的纳米片超声分散在广油中得到浓度为2 mg/ml的缓蚀剂。
(5) 在生漆中添加5wt% 的缓蚀剂，搅拌均匀，得到二维材料改性生漆海洋防腐涂料。
该实施例制得的二维材料改性生漆海洋防腐涂料的附着力1级，耐冲击距离55cm，柔韧性1 mm，盐雾时长1008 h。
实施例2
(1) 将1g Ti3AlC2、2g氟化锂加入9 M盐酸中反应48 h，反应温度控制在40 ℃。反应结束后，将产物在3500转下离心5分钟，并用2 M盐酸和去离子水多次洗涤，直至上层液pH达到6。
(2) 将步骤(1)中的产物继续加去离子水离心，当溶液中没有出现固液分离时停止离心，倒入洗气瓶中，通入惰性气体，并在冰浴环境下超声1 h。最后3500转下离心30分钟，测定分散液浓度为10 mg/ml。
(3) 取步骤(2)制备的分散液加入200 ml乙醇和10 ml氨水混合液中搅拌24 h，再加入十八烷基三乙氧基硅烷继续搅拌24 h。最后离心、洗涤、干燥，得到亲油型Ti3C2纳米片。
(4) 将步骤(3)中得到的纳米片超声分散在广油中得到浓度为5 mg/ml的缓蚀剂。
(5) 在生漆中添加3wt%的缓蚀剂，搅拌均匀，得到二维材料改性生漆海洋防腐涂料。
该实施例制得的二维材料改性生漆海洋防腐涂料的附着力1级，耐冲击距离60cm，柔韧性1 mm，盐雾时长1080 h。
实施例3
(1) 将1g Ti3AlC2、2g氟化锂加入9M盐酸中反应48h，反应温度控制在40 ℃。反应结束后，将产物在3500转下离心5分钟，并用2M盐酸和去离子水多次洗涤，直至上层液pH达到6。
(2) 将步骤(1)中的产物继续加去离子水离心，当溶液中没有出现固液分离时停止离心，倒入洗气瓶中，通入惰性气体，并在冰浴环境下超声1h。最后3500转下离心30分钟，测定分散液浓度为10 mg/ml。
(3) 取步骤(2)制备的分散液加入200 ml乙醇和10 ml氨水混合液中搅拌24 h，再加入十八烷基三乙氧基硅烷继续搅拌24 h。最后离心、洗涤、干燥，得到亲油型Ti3C2纳米片。
(4) 将步骤(3)中得到的纳米片超声分散在广油中得到浓度为5 mg/ml的缓蚀剂。
(5) 在生漆中添加5wt% 的缓蚀剂，搅拌均匀，得到二维材料改性生漆海洋防腐涂料。
该实施例制得的二维材料改性生漆海洋防腐涂料的附着力1级，耐冲击距离60cm，柔韧性1 mm，盐雾时长1320 h。
对实施例1-3制备的二维材料改性生漆海洋防腐涂层的附着力测试，参照国家标准GB/T5210-2006；耐冲击性测试，参照国家标准GB/T1732-1993；柔韧性测试，参照国家标准GB/T6742-2007；盐雾试验，参照国家标准GB/T1771-2007。
由上可知，本发明中同时添加Ti3C2和熟桐油的实施例盐雾测试时长均大于1000h（天然生漆小于600h）；但经测试，仅加入熟桐油（5%wt）改性的生漆盐雾时长为720h；仅加入Ti3C2改性的生漆盐雾时长为960h，可见本发明的Ti3C2和熟桐油存在协同作用：首先，改性后的Ti3C2纳米片能与熟桐油很好的互溶，并均匀分散在生漆涂料中，有效解决了传统二维材料在有机树脂中存在的分散性差、易团聚等问题，二维材料与生漆致密程度的提升，能够减少涂层内部缺陷的产生，避免发生局部的微电偶腐蚀，进一步提高涂层的长效防腐能力。其次，改性后的Ti3C2与熟桐油均能发挥阻隔作用，能够阻挡腐蚀介质进入基体树脂中，同时片层Ti3C2还能产生复杂的迷宫效应，延长了腐蚀介质的渗透路径。在涂层发生破损的时候，具有优异导电性能的Ti3C2可将阳极反应产生的电子传导至涂料表面，从而使得阴极反应在涂层表面发生，因此阴极反应所生成的OH-与阳极反应生成的Fe3+不能接触反应，随着Fe3+的累积，阳极反应将受到抑制，从而达到抑制基材腐蚀的效果。仅加入熟桐油的复合涂层，只能简单物理隔绝腐蚀介质，防腐效果提升不明显；直接加入Ti3C2的复合涂层，由于Ti3C2的团聚，会加剧涂层的局部微电偶腐蚀，导致涂层破损，而在破损处，Ti3C2将可能诱发其自身的腐蚀促进活性，并以最快的速度释放电子，加速金属基体的腐蚀，从而缩短防腐时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的覆盖范围。
Claims (7)
1.一种二维材料改性生漆海洋防腐涂料的制备方法，其特征在于：
（1）将Ti3AlC2刻蚀，得到具有片层结构的Ti3C2，并超声剥离为Ti3C2少层分散液，随后在乙醇溶液中通过烷基硅氧烷的醇解反应，以及Ti3C2表面丰富的羟基活性位点，将脂肪链接枝在Ti3C2表面，使Ti3C2由亲水性转变为亲油性，得到亲油型Ti3C2纳米片；
（2）将步骤（1）的亲油型Ti3C2纳米片分散在广油中，配置缓蚀剂，然后添加到生漆中，得到二维材料改性生漆海洋防腐涂料。
2.根据权利要求1所述的二维材料改性生漆海洋防腐涂料的制备方法，其特征在于：Ti3C2少层分散液是通过氟化锂和盐酸刻蚀Ti3AlC2并通过超声、离心剥离得到。
3.根据权利要求1所述的二维材料改性生漆海洋防腐涂料的制备方法，其特征在于：所述的Ti3C2少层分散液中溶剂为去离子水，Ti3C2层数小于5层，且浓度为10-15 mg/ml。
4.根据权利要求1所述的二维材料改性生漆海洋防腐涂料的制备方法，其特征在于：所述的烷基硅氧烷为十二烷基硅氧烷或十八烷基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的二维材料改性生漆海洋防腐涂料的制备方法，其特征在于：所述的广油由生桐油在230℃下熬制而成。
6.根据权利要求1所述的二维材料改性生漆海洋防腐涂料的制备方法，其特征在于：所述缓蚀剂中亲油型Ti3C2纳米片的浓度为2-5 mg/ml，添加比例为生漆质量的1%-10%。
7.一种如权利要求1-6所述的制备方法制得的二维材料改性生漆海洋防腐涂料。
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| CN110312766A (zh) * | 2018-01-25 | 2019-10-08 | 株式会社Lg化学 | 涂料组合物、涂膜和电磁干扰屏蔽复合材料 |
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