KH560改性石墨烯-环氧树脂复合材料研究文献综述

 2022-07-26 02:07

KH560改性石墨烯/环氧树脂材料

腐蚀是一种缓慢的化学或电化学过程,它是指金属材料与氧气、水等作用而导致自身失效和破坏的自然现象。金属腐蚀问题遍及各个部门及行业,腐蚀危害巨大,各国由于腐蚀破坏造成的年度经济损失约占当年国民经济生产总值的1.5%~4.2%,而我国近年来的年腐蚀损失约为5000亿元,约占国民经济生产总值的5%。同时根据2012年美国腐蚀工程协会的一项调查研究表明,全球每年因金属腐蚀所造成的直接经济损失已高达2.2万亿美元。腐蚀除造成经济损失外,腐蚀还造成对地球资源、能源的极大浪费,造成重大安全事故和环境污染事件,对工业生产和人们生活产生严重影响。但如果能普遍、正确地采用适当的腐蚀控制技术和方法,就可以使腐蚀损失降低25%~30%。

目前各国为了解决这一大难题,研究出了阴极保护、缓蚀剂防护、金属镀层、易钝化的新合金材料、金属表面处理和表面有机涂层法等措施。但前面几种保护措施存在耗资大,环境污染以及环境的使用限制。表面有机涂层法是最常用、最有效的金属防护方法,它是通过在金属表面覆盖一层有机保护膜,避免金属与环境中的腐蚀介质直接接触,以此来降低金属发生化学或电化学反应的机率, 但传统有机涂层中相当一部分是含有铬酸盐、铅和锌等重金属毒性物质,存在一定的安全隐患和环境污染风险,不仅消耗大量的不可再生能源,而且极不利于社会和经济的可持续发展。故我们使用引入石墨烯不经可以解决这些弊端还具备了更强的防腐能力。

石墨烯(Graphene)是一种碳质的新材料,它是碳原子以sp2杂化轨道连接的单原子层构成的二维原子晶体,是世界上最薄的二维材料,这种特殊结构使石墨烯表现出许多优异性质,如优异的热力学性能、优良的机械性能和电性能,此外,研究者发现石墨烯在理想状态下还具有储氢能力[1]。单层无缺陷石墨烯涂层具有优异的屏蔽性能,能阻隔氧气、水分子等腐蚀因子到达金属基体表面,被认为是已知最薄的腐蚀防护涂层。

图1.1 石墨烯的结构示意图

环氧树脂是近年来应用最广泛的热固性树脂之一,它具有优异的粘结性能、电绝缘性能和抗腐蚀性能,广泛应用于结构粘结材料、电气绝缘材料、耐腐蚀涂料以及复合材料基体等方面,在机械制造、化工防腐、航空航天等许多工业领域中扮演了重要的角色。本研究基于环氧树脂的一系列优点,以及针对其摩擦系数高、磨损量大的缺点,将改性后的石墨烯添加到环氧树脂中,制备出环氧树脂复合涂层,从而改善环氧树脂涂层摩擦性能差等缺点,并进一步提高其防腐性能。

氧化石墨烯结构与石墨烯类似,但表面含有大量的羧基、羟基、羰基等含氧官能团,虽然机械性能、导电性能因此有一定的降低,但这些含氧基团能够使得氧化石墨烯与环氧树脂等有机树脂之间具有优良的相容性,可充分发挥氧化石墨烯作为增强相在连续相树脂中的应用[2]。氧化石墨烯由被氧化的脂肪六元环区和和未被氧化的芳香区两部分组成。它表面的极性含氧有机官能团赋予其亲水性,使其能够吸附大量的水分子,同时也赋予其与有机基体之间良好的相容性和结合面。

图2.1氧化石墨烯的结构式

制备石墨烯的方法有很多,如微机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等[12],但氧化石墨烯只能通过氧化剥离石墨制得,即将鳞片石墨加入含有强氧化剂的高浓酸中氧化制得氧化石墨,然后对其进行剥离分散,即可获得氧化石墨烯,其工艺主要可分为三个阶段:氧化、剥离和分散。在氧化阶段,麟片石墨被强氧化剂或电化学方法氧化,石墨层片和边缘生成了很多含氧官能团(如羟基、羧基、环氧基、羰基等),石墨的层间距增大,成为氧化石墨[3];然后氧化石墨在超声搅拌或热解膨胀的作用下发生剥离,并分散在溶剂中生成单层、双层或多层的氧化石墨稀分散液[4]

环氧树脂通常是指在分子链中含有两个或两个以上环氧基的高分子材料,它的主链一般是以芳香族、脂环族或脂肪族链段为主,同时在主链上还带有环氧基和其他含氧基团。环氧树脂通常由环氧氯丙烧和双酷A等缩聚而成,其结构通式为:

一般我们所见到的环氧树脂都是没有经过固化处理的,呈液态粘稠状,是热固性产物的低聚体(Oligomer),在实际生产和生活中都不能直接使用,需与固化剂反应后才能使用。环氧树脂一旦经固化处理后,性能就会产生巨大的改变,这是因为环氧树脂固化后会生成三维互连网状结构,这种结构有不溶不熔的特性,因此固化后的环氧树脂表现出一些固化前所没有的优异性质,从而能够广泛应用于生产和实际生活中。

环氧树脂涂料与其他涂料相比,具有一系列优点:

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