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CN104817930A - 一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料及其制备方法 - Google Patents

一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料及其制备方法 Download PDF

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CN104817930A
CN104817930A CN201510222144.6A CN201510222144A CN104817930A CN 104817930 A CN104817930 A CN 104817930A CN 201510222144 A CN201510222144 A CN 201510222144A CN 104817930 A CN104817930 A CN 104817930A
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CN
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graphene
graphene functional
heat conduction
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刘源
王圆圆
孙明娟
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Jining Lite nanoscale Anticorrosion Material Co., Ltd.
Original Assignee
JINING LEADER NANO TECHNOLOGY Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料，基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的组分及含量为：石墨烯功能性材料0.05份~6份，树脂60份～80份，颜料6份~16份，填料8份~18份，稀释剂10份～20份，消泡剂0.1份～0.3份，固化剂10份~30份。本发明提供了一种基于石墨烯功能性材料的具有良好导热性能和防腐性能的涂料。石墨烯功能性材料集合了多种材料的优异性能，可以提高涂料的导热性能，同时也可以进一步提高涂层的致密性，改善涂料的防腐性能。

Description

一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料及其制备方法
技术领域
本发明属于一种涂料技术领域，具体涉及一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料及其制备方法。
背景技术
化工设备、油气管道、蒸汽管道等设备处在湿度大、盐度大、高温等苛刻的环境中。这要求所使用涂料不仅要有良好的防腐性能，同时对其导热性也提出来较高要求。目前防腐涂料在石油化工领域中的使用虽然较多，但主要集中在油罐和管道的外壁上，在换热器、蒸汽管道中使用较少。主要原因是传统涂料耐高温性能不好，导热系数不高，导致在防腐环境中传热不好，高温下抗腐蚀力差，致使很多生产设备工艺上无法正常使用。传统涂料散热效果差，不仅制约了传统工业化工设备的使用，而且大功率电器、汽车等领域使用时也出现很多问题。
石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8 Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。不仅如此，而且它良好的导热性也值得关注，其导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石。用石墨烯和炭纤维制备的柔性复合纸集高导热、高强度和柔韧性于一体，厚度在10-100μm之间可控，面向导热系数高达800-1500W/m·K，是铜箔的2-3倍，拉伸强度达15-20MPa，是商业化柔性石墨纸的3-4倍，以90°夹角弯折6000次以上无断裂或结构破坏。这种复合纸不仅可以作为功能密封材料，还可以作为电子器件的散热垫片，应用在手机、笔记本电脑等多种电子产品领域中，发挥其优异的导热散热性能。在大功率电器、电子产品、汽车等领域中，石墨烯复合聚合物可以充分发挥石墨烯导热性的优势，用于解决散热问题。节能减排是当今我国社会发展突出的重要要求，石墨烯的导热系数高，将其用于建筑隔热涂料可有效降低建筑物的内部温度，增强节能效果。
如何将石墨烯功能性材料添加到涂料中，制备出导热效果好且能够防腐蚀的涂料是目前急需解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于石墨烯功能性材料的具有良好导热性能和防腐性能的涂料。
本发明所采用的技术方案如下：一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料，基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的组分及含量为：石墨烯功能性材料0.05份～6份，树脂60份～80份，颜料6份～16份，填料8份～18份，稀释剂10份～20份，消泡剂0.1份～0.3份，固化剂10份～30份。
作为优选，所述石墨烯功能性材料为石墨烯复合材料或石墨烯与无机材料的混合材料；所述石墨烯复合材料为将氧化锌、氧化铝、二氧化钛中的一种或几种通过原位化学还原法、物理吸附法、电化学沉淀法、水热法中的一种负载到石墨烯表面制备而成；所述石墨烯与无机材料的混合材料为将二氧化硅、硅酸锆、碳化硅、氮化硼、氮化铝、氮化硅中的一种或几种通过原位化学还原法、物理吸附法、电化学沉淀法、水热法中的一种负载到石墨烯表面制备而成。
作为优选，所述石墨烯功能性材料的比表面积为200～3200m2/g。
作为优选，所述石墨烯功能性材料的粒径为20 nm～2μm。
作为优选，所述石墨烯功能性材料中石墨烯所占的质量分数为0.5%～50%。
作为优选，所述树脂为环氧树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂中的一种或几种。
作为优选，所述颜料为氧化铁红、氧化铁黄、钛白、铬璜、普鲁士蓝中的一种为几种。
作为优选，所述填料为碳酸钙、硫酸钡、二氧化硅、硅酸盐类、滑石粉中一种或几种。
作为优选，所述稀释剂为200#溶剂汽油、松香水、乙醇、丙醇中一种或几种。
作为优选，所述消泡剂为硬脂酸金属皂、聚脲、疏水性硅氧烷油中一种或几种。
作为优选，所述固化剂为脂肪族二胺、脂肪族多胺、异化氰中的一种或几种。
一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备石墨烯功能性材料；
（2）将石墨烯功能性材料（0.05份～6份）添加到稀释剂（10份～20份）中，用高速剪切机在800～1500转/分钟的速度下搅拌15～60分钟，得到石墨烯功能性材料的浆料；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯功能性材料的浆料与树脂（60份～80份），颜料（6份～16份），填料（8份～18份），消泡剂（0.1份～0.3份）混合，搅拌均匀后，用砂磨机研磨，直至以刮板细度计检验浆体细度小于35微米，得到涂料甲；
（4）将步骤（3）制备的涂料甲中添加固化剂（10份～30份），重量比例为3.5：1～10.5:1，再用高速剪切机在1000～1500转/分钟的速度下搅拌20～40分钟，得到导热防腐涂料。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：二氧化硅具有良好的耐热防腐性能，将其负载到石墨烯表面用于改性涂料可以提高涂料本身的防腐性能；氧化锌是传统的富锌涂料中的重要组成部分，纳米结构的氧化锌具有优异的导热性能，其散热速度是氧化铝的4倍，将其负载到石墨烯表面用于改性涂料，涂料便具备良好的导热性能；氧化铝、二氧化钛、硅酸锆、碳化硅、氮化硼、氮化铝、氮化硅在散热方面的效果较好，将这些材料负载到石墨烯表面用于改性涂料，涂料便具备良好的导热性能；石墨烯具有优异的导热性能（5300 W/m·K)）、力学性能(1.06×103GPa)和较大的比表面积。因此，石墨烯功能性材料集合了多种材料的优异性能，可以提高涂料的导热性能，同时也可以进一步提高涂层的致密性， 改善涂料的防腐性能。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明，本发明所述试剂均为通过商业途径获得，所述制备方法如无特别说明均为本领域常规制备方法，部分试剂生产商以及规格如下：
石墨烯粉末      济宁利特纳米技术有限责任公司，LN-GNP-005；
水合肼          天津市科密欧化学试剂有限公司；
乙酰丙酮锌      国药试剂；
氧化铝          国药试剂。
实施例1：
本实施例中，各原料的组分及含量为：石墨烯负载氧化锌的功能性材料0.05份，环氧树脂60份，氧化铁红6份，碳酸钙8份，200#溶剂汽油10份，硬脂酸金属皂0.1份，脂肪族二胺10份。
其中石墨烯负载氧化锌的功能性材料的制备方法为：水热法
将石墨烯与乙酰丙酮锌在乙二醇中搅拌并超声分散30min，缓慢滴加水合肼，将其放入高压釜中180℃ 下加热16小时；然后将产物离心，分别用蒸馏水与乙醇洗涤，真空干燥箱中70℃下干燥24h。
其中石墨烯负载氧化锌的功能性材料的比表面积为200 m2/g，石墨烯负载氧化锌的功能性材料的粒径为20 nm，石墨烯负载氧化锌的功能性材料中石墨烯所占的质量分数为0.5%。
一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备石墨烯负载氧化锌的功能性材料；
（2）将石墨烯负载氧化锌的功能性材料添加到200#溶剂汽油中，用高速剪切机在900转/分钟的速度下搅拌15分钟，得到石墨烯负载氧化锌的功能性材料的浆料；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯负载氧化锌的功能性材料的浆料与环氧树脂，氧化铁红，碳酸钙，硬脂酸金属皂混合，搅拌均匀后，用砂磨机研磨，直至以刮板细度计检验浆体细度为30微米，得到涂料甲；
（4）将步骤（3）制备的涂料甲中添加脂肪族二胺，涂料甲与脂肪族二胺的重量比例为3.5：1，再用高速剪切机在1000转/分钟的速度下搅拌20分钟，得到导热防腐涂料。
用无气喷涂法对实施例中的涂料喷到马口铁片上，干燥一星期，进行检测。
实施例2：
本实施例中，各原料的组分及含量为：石墨烯负载氧化铝的功能性材料0.1份，有机硅树脂65份，氧化铁黄8份，硫酸钡10份，松香水12份，聚脲0.1份，脂肪族多胺12份。
其中石墨烯负载氧化铝的功能性材料的制备方法为：将石墨烯与氧化铝粉末在去离子水中混合，采用物理吸附中超声法，用超声分散20min，然后球磨4h，所得悬浮液用去离子水和无水乙醇洗涤几次并抽滤，然后在烘箱中烘干，得到石墨烯负载氧化铝的功能性材料。
其中石墨烯负载氧化铝的功能性材料的比表面积为500 m2/g，石墨烯负载氧化铝的功能性材料的粒径为2000 nm，石墨烯负载氧化铝的功能性材料中石墨烯所占的质量分数为22%。
一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备石墨烯负载氧化铝的功能性材料；
（2）将石墨烯负载氧化铝的功能性材料添加到松香水中，用高速剪切机在1300转/分钟的速度下搅拌16分钟，得到石墨烯负载氧化铝的功能性材料的浆料；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯负载氧化铝的功能性材料的浆料与有机硅树脂，氧化铁黄，硫酸钡，聚脲混合，搅拌均匀后，用砂磨机研磨，直至以刮板细度计检验浆体细度为25微米，得到涂料甲；
（4）将步骤（3）制备的涂料甲中添加脂肪族多胺，涂料甲与脂肪族多胺的重量比例为5.5：1，再用高速剪切机在1400转/分钟的速度下搅拌20分钟，得到导热防腐涂料。
用无气喷涂法对实施例中的涂料喷到马口铁片上，干燥一星期，进行检测。
实施例3：
本实施例中，各原料的组分及含量为：石墨烯与硅酸锆、氮化硼混合组成的功能性材料3份，有机硅树脂72份，钛白13份，二氧化硅15份，乙醇16份，疏水性硅氧烷油0.2份，异化氰12份。
其中石墨烯与硅酸锆、氮化硼混合组成的功能性材料的制备方法为：石墨烯与硅酸锆、氮化硼混合组成的功能性材料中石墨烯所占的质量分数为35%，硅酸锆所占的质量分数为35%，氮化硼所占的质量分数为30%，采用物理吸附法，在玛瑙研钵中研磨石墨烯、硅酸锆和氮化硼，直至研磨均匀。
其中石墨烯与硅酸锆、氮化硼混合组成的功能性材料的比表面积为1000 m2/g，石墨烯负载二氧化钛的功能性材料的粒径为1μm。
一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备石墨烯与硅酸锆、氮化硼混合组成的功能性材料；
（2）将石墨烯与硅酸锆、氮化硼混合组成的功能性材料添加到乙醇中，用高速剪切机在900转/分钟的速度下搅拌60分钟，得到石墨烯与硅酸锆、氮化硼混合组成的功能性材料的浆料；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯与硅酸锆、氮化硼混合组成的功能性材料的浆料与有机硅树脂，钛白，二氧化硅，疏水性硅氧烷油混合，搅拌均匀后，用砂磨机研磨，直至以刮板细度计检验浆体细度为20微米，得到涂料甲；
（4）将步骤（3）制备的涂料甲中添加异化氰，涂料甲与异化氰的重量比例为5.5：1，再用高速剪切机在1500转/分钟的速度下搅拌40分钟，得到导热防腐涂料。
用无气喷涂法对实施例中的涂料喷到马口铁片上，干燥一星期，进行检测。
实施例4：
本实施例中，各原料的组分及含量为：石墨烯负载二氧化硅的功能性材料5份，环氧树脂78份，铬璜14份，硅酸盐类16份，丙醇17份，硬脂酸金属皂0.3份，脂肪族二胺25份。
其中石墨烯负载二氧化硅的功能性材料的制备方法为：石墨烯负载二氧化硅的功能性材料中石墨烯所占的质量分数为10%，采用物理吸附法超声法，超声分散20min，混合均匀得到石墨烯负载二氧化硅的功能性材料。
其中石墨烯负载二氧化硅的功能性材料的比表面积为2000 m2/g，石墨烯负载二氧化硅的功能性材料的粒径为1.5μm。
一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备石墨烯负载二氧化硅的功能性材料；
（2）将石墨烯负载二氧化硅的功能性材料添加到丙醇中，用高速剪切机在800转/分钟的速度下搅拌40分钟，得到石墨烯负载二氧化硅的功能性材料的浆料；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯负载二氧化硅的功能性材料的浆料与环氧树脂，铬璜，硅酸盐类，硬脂酸金属皂混合，搅拌均匀后，用砂磨机研磨，直至以刮板细度计检验浆体细度为22微米，得到涂料甲；
（4）将步骤（3）制备的涂料甲中添加脂肪族二胺，涂料甲与脂肪族二胺的重量比例为7.5：1，再用高速剪切机在1200转/分钟的速度下搅拌30分钟，得到导热防腐涂料。
用无气喷涂法对实施例中的涂料喷到马口铁片上，干燥一星期，进行检测。
实施例5：
本实施例中，各原料的组分及含量为：石墨烯负载二氧化钛的功能性材料4份，聚酯树脂75份，普鲁士蓝15份，滑石粉14份，松香水18份，硬脂酸金属皂0.25份，异化氰20份。
其中石墨烯负载二氧化钛的功能性材料的制备方法为：
其具体步骤如下：
（1）酸化处理：将酸溶液，加入二氧化钛粉末中，进行酸化处理；
（2）配制浆料：配制石墨烯水溶液，加入经步骤（1）酸化处理后的二氧化钛溶液中，边加边搅拌，使粉末充分和石墨烯水溶液接触，再加入有机溶剂，搅拌，配制得浆料；
（3）固化浆料：在步骤（2）配制的浆料中加入固化剂，搅拌，然后加入高分子聚合物，搅拌；
（4）浓缩浆料：将步骤（3）所得到的固化浆料经过蒸馏处理得到浓缩后的石墨烯负载二氧化钛的功能性材料的浆料。
其中石墨烯负载二氧化钛的功能性材料的比表面积为2800 m2/g，石墨烯负载二氧化钛的功能性材料的粒径为1.8μm，石墨烯负载二氧化钛的功能性材料中石墨烯所占的质量分数为25%。
一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备石墨烯负载二氧化钛的功能性材料；
（2）将石墨烯负载二氧化钛的功能性材料添加到松香水中，用高速剪切机在1300转/分钟的速度下搅拌50分钟，得到石墨烯负载二氧化钛的功能性材料的浆料；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯负载二氧化钛的功能性材料的浆料与聚酯树脂，普鲁士蓝，滑石粉，硬脂酸金属皂混合，搅拌均匀后，用砂磨机研磨，直至以刮板细度计检验浆体细度为18微米，得到涂料甲；
（4）将步骤（3）制备的涂料甲中添加异化氰，涂料甲与异化氰的重量比例为8.5：1，再用高速剪切机在1300转/分钟的速度下搅拌35分钟，得到导热防腐涂料。
用无气喷涂法对实施例中的涂料喷到马口铁片上，干燥一星期，进行检测。
实施例6：
本实施例中，各原料的组分及含量为：石墨烯与碳化硅、氮化铝、氮化硅混合组成的功能性材料6份，丙烯酸树脂80份，氧化铁红16份，碳酸钙18份，松香水20份，聚脲0.3份，异化氰30份。
其中石墨烯与碳化硅、氮化铝、氮化硅混合组成的功能性材料的制备方法为：石墨烯与硅酸锆、氮化硼混合组成的功能性材料中石墨烯所占的质量分数为50%，碳化硅所占的质量分数为15%，氮化铝所占的质量分数为15%，氮化硅所占的质量分数为20%，采用物理吸附法，在玛瑙研钵中研磨石墨烯、碳化硅、氮化铝、氮化硅，直至研磨均匀。
其中石墨烯与硅酸锆、氮化硼混合组成的功能性材料的比表面积为3200 m2/g，石墨烯负载二氧化钛的功能性材料的粒径为2μm。
一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备石墨烯与碳化硅、氮化铝、氮化硅混合组成的功能性材料；
（2）将石墨烯与碳化硅、氮化铝、氮化硅混合组成的功能性材料添加到松香水中，用高速剪切机在1500转/分钟的速度下搅拌60分钟，得到石墨烯与碳化硅、氮化铝、氮化硅混合组成的功能性材料的浆料；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯与碳化硅、氮化铝、氮化硅混合组成的功能性材料的浆料与丙烯酸树脂，氧化铁红，碳酸钙，聚脲混合，搅拌均匀后，用砂磨机研磨，直至以刮板细度计检验浆体细度为15微米，得到涂料甲；
（4）将步骤（3）制备的涂料甲中添加异化氰，涂料甲与异化氰的重量比例为10.5：1，再用高速剪切机在1500转/分钟的速度下搅拌40分钟，得到导热防腐涂料。
用无气喷涂法对实施例中的涂料喷到马口铁片上，干燥一星期，进行检测。
实施例7
对上述实施例1-6的涂板相关性能检测，其中，导热性能检测方法如下：将涂板同时放在加热器上，使用常州市众杰电子有限公司 ZJ1008 多路温度测试仪测试并记录其表面温度，共记录20min。
具体结果如下表所示：
        
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料，其特征在于：基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的组分及含量为：石墨烯功能性材料0.05份~6份，树脂60份～80份，颜料6份~16份，填料8份~18份，稀释剂10份～20份，消泡剂0.1份～0.3份，固化剂10份~30份。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料，其特征在于：所述石墨烯功能性材料为石墨烯复合材料或石墨烯与无机材料的混合材料；所述石墨烯复合材料为将氧化锌、氧化铝、二氧化钛中的一种或几种通过原位化学还原法、物理吸附法、电化学沉淀法、水热法中的一种负载到石墨烯表面制备而成；所述石墨烯与无机材料的混合材料为将二氧化硅、硅酸锆、碳化硅、氮化硼、氮化铝、氮化硅中的一种或几种通过原位化学还原法、物理吸附法、电化学沉淀法、水热法中的一种负载到石墨烯表面制备而成。
3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料，其特征在于：所述石墨烯功能性材料的比表面积为200~3200m2/g。
4.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料，其特征在于：所述石墨烯功能性材料的粒径为20 nm ~2μm。
5.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料，其特征在于：所述石墨烯功能性材料中石墨烯所占的质量分数为0.5%~50%。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料，其特征在于：所述树脂为环氧树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料，其特征在于：所述颜料为氧化铁红、氧化铁黄、钛白、铬璜、普鲁士蓝中的一种为几种；所述填料为碳酸钙、硫酸钡、二氧化硅、硅酸盐类、滑石粉中一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料，其特征在于：所述稀释剂为200#溶剂汽油、松香水、乙醇、丙醇中一种或几种，所述消泡剂为硬脂酸金属皂、聚脲、疏水性硅氧烷油中一种或几种；所述固化剂为脂肪族二胺、脂肪族多胺、异化氰中的一种或几种。
9.如权利要求1~8所述的任一项一种基于石墨烯功能性材料的导热防腐涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）制备石墨烯功能性材料；
（2）将石墨烯功能性材料（0.05份~6份）添加到稀释剂（10份～20份）中，用高速剪切机在800~1500转/分钟的速度下搅拌15~60分钟，得到石墨烯功能性材料的浆料；
（3）将步骤（2）制备的石墨烯功能性材料的浆料与树脂（60份～80份），颜料（6份~16份），填料（8份~18份），消泡剂（0.1份～0.3份）混合，搅拌均匀后，用砂磨机研磨，直至以刮板细度计检验浆体细度小于35微米，得到涂料甲；
（4）将步骤（3）制备的涂料甲中添加固化剂（10份~30份），重量比例为3.5：1~10.5:1，再用高速剪切机在1000~1500转/分钟的速度下搅拌20~40分钟，得到导热防腐涂料。
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