镀锌钢板表面石墨烯/硅烷功能性复合涂层及其协同耐蚀机理

Graphene reinforced silane functional composite coatings are proposed on galvanized steel, aiming for better corrosion resistance, weather resistance and electrical conductivity than conventional organic coatings. Graphene oxide (GO) with high aspect ratio will be prepared, followed by surface functionalization of GO to avoid the agglomeration of reduced GO (RGO). Then GO or functionalized GO is reduced by an environmental friendly method. As a result, RGO with high electrical conductivity will be obtained. The composite coatings are made by mixing RGO with silane matrix and applying the mixture on galvanized steel surface. By adding high aspect ratio RGO to the silane matrix, the barrier properties of the coating will go through a substantial improvement, meanwhile the electrical conducting network is formed in the coatings. A percolation threshold can be observed with increasing the volume fraction of RGO. Systematic study will be carried out to understand the correlations between the structure and properties of the nanocomposite coatings. The mechanisms behind the improvements in electrical and barrier properties will be evaluated in terms of synergy effect of RGO and silane on the anticorrosive protection of galvanized steel, electrical conducting network formation and low transmission ratio of ultraviolet rays though RGO. The critical factors on the coating properties will be discussed, such as the volume fraction, aspect ratio, dispersion state and reduction degree of RGO and interface bondings between RGO and silane.

本项目提出在镀锌钢板表面制备以石墨烯为填料，硅烷为成膜骨架的功能性复合涂层。以期在传统的镀锌钢板有机涂层的基础上，增加涂层的耐蚀性、耐候性以及导电性。在制备大径厚比氧化石墨烯的基础上，对氧化石墨烯表面进行化学修饰以避免石墨烯团聚，进而采用环境友好型还原方法获得高导电性的石墨烯。将石墨烯填料分散在硅烷基体中配置成涂料，并在镀锌钢板表面成膜。大径厚比石墨烯分散在硅烷基体中，体积分数大于渗透阈值时，能为镀锌钢板提供水、氧气、紫外线的阻隔网络以及电子通过复合涂层的导电网络。系统研究镀锌钢板表面纳米复合涂层的结构与性能的关系。分析石墨烯与硅烷对镀锌钢板提供耐蚀性保护的协同机理；复合涂层中导电通路的形成机理；石墨烯片层对紫外线的阻隔机理。掌握关键因素，如石墨烯的体积分数、径厚比、分散状态、还原程度以及石墨烯与硅烷间的界面结合对涂层综合性能的影响。

本项目针对镀锌钢板表面涂层的高耐蚀化、多功能化和环保化的要求，提出在镀锌钢板表面制备一种以石墨烯为填料,生产实践中常用的硅烷和水性树脂为基体的新型功能性复合涂层,在传统涂层的基础上,通过石墨烯增强涂层的阻隔作用，从而进一步提高涂层的耐蚀性。通过石墨烯在涂层中形成的导电网络，增加涂层的导电性，从而满足涂层在某些应用领域中所需的静电防护作用。石墨烯/硅烷功能性复合涂层的制备关键在于保持石墨烯的大径厚比和石墨烯在硅烷基体中的分散。本项目在改进Hummers方法的基础上，通过先制备插层和膨胀石墨、再氧化剥离的方法，避免超声剥离，从而制备平均径厚比高达10^4的石墨烯；为了避免氧化石墨烯在还原过程中发生不可逆团聚，本项目针对不同的涂层提出了三种不同的石墨烯分散方法：1）微波辅助下钛酸酯偶联剂改性，并同步还原氧化石墨烯的方法；2）微波辅助下硅烷偶联剂改性氧化石墨烯的方法；3）利用层状硅酸盐在石墨烯片层间的物理插层，分散还原氧化石墨烯。此外，在与涂料基体混合过程中，也可采用原位中度还原法，控制氧化石墨烯的还原程度，保留一定量的含量官能团，避免石墨烯在涂料中的团聚。将不同化学状态的石墨烯作为增强体在涂料基体中配置成复合涂料，并在镀锌钢板表面成膜后，主要发现如下：1）石墨烯在复合涂层中的均匀分散主要取决于石墨烯的表面化学状态以及石墨烯的添加量。质量百分比为0.2 wt%的经过表面化学修饰的石墨烯片层能在涂层中均匀分散；2）当石墨烯添加量为0.2 wt%时，由电化学交流阻抗法测得，涂层的耐蚀性比未添加石墨烯的涂层增加200多倍；3）当石墨烯具有较高的还原程度时，它分散在涂层基体中能够形成导电网络，渗透阈值大约是0.1 wt%，该值比其它纳米导电添加物的渗透阈值要低得多，主要原因是石墨烯的大径厚比和纳米尺度的分散。综上所诉，本项目在系统研究镀锌钢板表面石墨烯增强的复合涂层的结构与性能的关系基础上，掌握了其关键因素及各因素间的相互作用。