石墨烯改性水性功能涂料的制备与性能研究
发布时间：2022-01-04 04:13
有机涂料可以在被防护物表面形成一层牢固完整致密的膜,可有效隔绝基体材料表面与外界腐蚀环境,从而防止材料腐蚀。在现代工业社会中有机涂料的发展趋势是水性化和多功能化,要求涂料除了低有机排放外,还需要兼顾多种功能特性,例如抗腐蚀、抗静电和电磁屏蔽等功能。本课题将高阻隔、高导的石墨烯材料复合在水性环氧涂料中提升其抗渗性、耐蚀性和导电性,得到相应的水性功能复合涂料。本文首先用石墨粉制得氧化石墨烯（GO）,以此为基础,采用一种水热结合煅烧的新型绿色制备方法在还原氧化石墨烯（rGO）上修饰氧化铈纳米晶,得到稀土 Ce改性的rGO粉体（CeO2@rGO）。然后分别以GO和CeO2@rGO这两种石墨烯类材料作为增强填料,制备出了应于混凝土抗渗的氧化石墨烯增强水性环氧复合涂料（GO/EP）和基于金属基材的稀土改性石墨烯/环氧复合导电涂料（CeO2@rGO/EP）,并将这两种涂料涂覆在对应的基材上。研究了配比剂量和煅烧温度对稀土 Ce改性石墨烯（CeO2@rGO）结构形貌的影响以及石墨烯填料添加量对复合涂层显微组织、抗氯离子渗透性能、耐蚀性能和导电性能的影响。研究结果表明:1.以Hummers法制备的氧化石...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
复合型导电涂料等效电路模型【27】Fig.1-1Equivalentcircuitmodelofcompositeconductivecoating
1.绪论5倍以上【31】。石墨烯的能带结构如图1-2(b)所示，它的导带和价带在第一布里渊区的6个顶点（狄拉克点）处相互对称。狄拉克点附近的电子有效质量为0，费米速度接近光速（约为1/300）,且石墨烯中的电子可以完全隧穿，因此石墨烯室温下的载流子迁移率非常惊人，有报道最高超过200000cm2/(V·s)【32】。石墨烯的化学结构稳定且比表面积很大，可以有效阻隔水或氧气分子的透过，在涂层中错排能阻挡腐蚀介质渗透形成物理间隔，只要少量添加石墨烯就可以起到有效地阻隔作用。这些特性使石墨烯在涂料领域有着广泛地应用前景。图1-2(a)石墨烯独特的原子结构是构成其他石墨材料的基本单元[6],(b)石墨烯的能带图,导带与价带在狄拉克点对称【28,32】Fig.1-2(a)Grapheneisa2Dbuildingmaterialforcarbonmaterialsofallotherdimensionalities(b)Theenergybanddiagramofgraphene,theconductionbandandthevalencebandaresymmetricattheDiracpoint1.2.2石墨烯制备方法石墨烯优异的性能受到研究者们广泛的关注，如何制备石墨烯也成了一个关键的课题。在过去的几年里，对于石墨烯材料的制备方法已经有了非常多深入地研究。总的来说，对石墨烯的制备手段可以分成两大类，物理法和化学法。物理法有微机械剥离【33】、液相剥离【34】等方法；化学法有外延生长法【35】、化学气相沉积法【36】、氧化-还原法【37,38】等。每种制备方法所得到的石墨烯具有不同的特性，从而可应用在不同的领域中。Raccichini【39】等在一篇综述文章中很好地总结了每种方法的特点，其根据所生产石墨烯的品质（质量和纯度）和工艺（可扩展性，成本和产率）评估了不同的石墨烯制备方法，结果如图1-3所示。可以看出，每种方法得到的产品都具有不同的特性，因此，应基于石墨烯的应用，选择
西安理工大学硕士学位论文6图1-3常见石墨烯制备方法对比图。每种方法均根据石墨烯质量（G），成本方面（C；低值表示较高的生产成本），可扩展性（S），纯度（P）和整个生产过程的产率（Y）进行了评估。Fig.1-3Schematicofthemostcommongrapheneproductionmethods.Eachmethodhasbeenevaluatedintermsofgraphenequality(G),costaspect(C;alowvaluecorrespondstohighcostofproduction),scalability(S),purity(P)andyield(Y)oftheoverallproductionprocess.1.3石墨烯的改性与组装二维无缺陷的石墨烯具有非常好的性质参数，但是石墨烯片具有非常高的表面能【40】,极易不可逆堆叠团聚成块状材料，失去其原有的性质。且石墨烯稳定的化学特性导致它与其他材料相容性差，这就造成石墨烯的相关应用研究有一定困难。所以当前研究的重点是提高石墨烯与其它物质的相容性和其自身的分散性。通过改性处理在石墨烯表面引入特定的缺陷或活性基团，可以有效解决这一问题。现有对石墨烯的改性的方式主要是共价键修饰、非共价键修饰和金属化修饰等。1.3.1共价键修饰石墨烯的共价键修饰是目前研究最广泛的改性方法，发生在石墨烯片层的边缘或者表面位置。表面修饰与石墨烯结构中一个或多个sp2杂化的碳原子重新杂化为sp3结构有关，同时伴随着重新排列的电子分布。氧化石墨烯(GO)是由石墨氧化超声得到，可认为是最简单的功能化石墨烯材料。由于氧化石墨烯(GO)中含有大量的羧基、羟基和环氧键等活性基团，通常以GO为前驱体与多种活性分子反应功能化。Stankovich【41】等将GO分散在DMF溶剂中，随后加入异氰酸酯小分子，利用异氰酸酯上的–NCO基与GO片层上的活性羧基反应，得到了异氰酸酯修饰的石墨烯。该法得到的产物可以在DMF等多种极性溶剂中均匀分散，并且能长时间保持
本文编号：3567637
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
复合型导电涂料等效电路模型【27】Fig.1-1Equivalentcircuitmodelofcompositeconductivecoating
1.绪论5倍以上【31】。石墨烯的能带结构如图1-2(b)所示，它的导带和价带在第一布里渊区的6个顶点（狄拉克点）处相互对称。狄拉克点附近的电子有效质量为0，费米速度接近光速（约为1/300）,且石墨烯中的电子可以完全隧穿，因此石墨烯室温下的载流子迁移率非常惊人，有报道最高超过200000cm2/(V·s)【32】。石墨烯的化学结构稳定且比表面积很大，可以有效阻隔水或氧气分子的透过，在涂层中错排能阻挡腐蚀介质渗透形成物理间隔，只要少量添加石墨烯就可以起到有效地阻隔作用。这些特性使石墨烯在涂料领域有着广泛地应用前景。图1-2(a)石墨烯独特的原子结构是构成其他石墨材料的基本单元[6],(b)石墨烯的能带图,导带与价带在狄拉克点对称【28,32】Fig.1-2(a)Grapheneisa2Dbuildingmaterialforcarbonmaterialsofallotherdimensionalities(b)Theenergybanddiagramofgraphene,theconductionbandandthevalencebandaresymmetricattheDiracpoint1.2.2石墨烯制备方法石墨烯优异的性能受到研究者们广泛的关注，如何制备石墨烯也成了一个关键的课题。在过去的几年里，对于石墨烯材料的制备方法已经有了非常多深入地研究。总的来说，对石墨烯的制备手段可以分成两大类，物理法和化学法。物理法有微机械剥离【33】、液相剥离【34】等方法；化学法有外延生长法【35】、化学气相沉积法【36】、氧化-还原法【37,38】等。每种制备方法所得到的石墨烯具有不同的特性，从而可应用在不同的领域中。Raccichini【39】等在一篇综述文章中很好地总结了每种方法的特点，其根据所生产石墨烯的品质（质量和纯度）和工艺（可扩展性，成本和产率）评估了不同的石墨烯制备方法，结果如图1-3所示。可以看出，每种方法得到的产品都具有不同的特性，因此，应基于石墨烯的应用，选择
西安理工大学硕士学位论文6图1-3常见石墨烯制备方法对比图。每种方法均根据石墨烯质量（G），成本方面（C；低值表示较高的生产成本），可扩展性（S），纯度（P）和整个生产过程的产率（Y）进行了评估。Fig.1-3Schematicofthemostcommongrapheneproductionmethods.Eachmethodhasbeenevaluatedintermsofgraphenequality(G),costaspect(C;alowvaluecorrespondstohighcostofproduction),scalability(S),purity(P)andyield(Y)oftheoverallproductionprocess.1.3石墨烯的改性与组装二维无缺陷的石墨烯具有非常好的性质参数，但是石墨烯片具有非常高的表面能【40】,极易不可逆堆叠团聚成块状材料，失去其原有的性质。且石墨烯稳定的化学特性导致它与其他材料相容性差，这就造成石墨烯的相关应用研究有一定困难。所以当前研究的重点是提高石墨烯与其它物质的相容性和其自身的分散性。通过改性处理在石墨烯表面引入特定的缺陷或活性基团，可以有效解决这一问题。现有对石墨烯的改性的方式主要是共价键修饰、非共价键修饰和金属化修饰等。1.3.1共价键修饰石墨烯的共价键修饰是目前研究最广泛的改性方法，发生在石墨烯片层的边缘或者表面位置。表面修饰与石墨烯结构中一个或多个sp2杂化的碳原子重新杂化为sp3结构有关，同时伴随着重新排列的电子分布。氧化石墨烯(GO)是由石墨氧化超声得到，可认为是最简单的功能化石墨烯材料。由于氧化石墨烯(GO)中含有大量的羧基、羟基和环氧键等活性基团，通常以GO为前驱体与多种活性分子反应功能化。Stankovich【41】等将GO分散在DMF溶剂中，随后加入异氰酸酯小分子，利用异氰酸酯上的–NCO基与GO片层上的活性羧基反应，得到了异氰酸酯修饰的石墨烯。该法得到的产物可以在DMF等多种极性溶剂中均匀分散，并且能长时间保持
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