石墨烯在防腐涂料中的應用
石墨烯在防腐涂料中的應用
腐蝕一直是制約各國經(jīng)濟發(fā)展的重大問題之一,全球每年有2.5萬億美元左右的直接經(jīng)濟損失是因腐蝕造成的,應用防腐涂料是解決腐蝕問題的主要方式之一。
防腐涂料的概念及市場規(guī)模
防腐涂料是指由底漆、中漆和面漆組成的具有防腐蝕功能的涂料,依據(jù)涂料應用領域的不同,可以分為常規(guī)防腐涂料和重防腐涂料。常規(guī)防腐涂料是在一般條件下,對金屬等起到防腐蝕的作用,保護有色金屬使用的壽命;重防腐涂料是指相對常規(guī)防腐涂料而言,能在相對苛刻腐蝕環(huán)境中應用,并具有能達到比常規(guī)防腐涂料更長保護期的一類防腐涂料。
我國防腐涂料的市場規(guī)模已經(jīng)僅次于建筑涂料,年均增速超過20%,其中重防腐涂料的市場發(fā)展空間巨大。2018年我國防腐涂料行業(yè)市場規(guī)模1258.67億元,同比2017年的1210.13億元增長了4.01%,近幾年我國防腐涂料行業(yè)市場規(guī)模情況如下圖所示:
2012-2018年中國防腐涂料行業(yè)市場規(guī)模情況(單位:億元)
資料來源:智研咨詢整理
石墨烯防腐機理
1特性優(yōu)勢
單石墨烯層強度高、韌性好、比表面積大,具有超疏水性和超親油性,化學和熱穩(wěn)定性好。
2結(jié)構(gòu)優(yōu)勢
石墨烯的片層結(jié)構(gòu)層層疊加、交錯排列,在涂層中可形成復雜的網(wǎng)絡屏蔽結(jié)構(gòu),能夠有效抑制腐蝕介質(zhì)的浸潤、滲透和擴散,提高涂層的物理阻隔性;
由于其超薄的片層厚度,石墨烯可以填充到涂層的缺陷當中,減少涂層孔隙率,增強涂層致密性,進一步延緩或阻止腐蝕因子浸入到基體表面。
石墨烯層與層之間有良好的潤滑作用,石墨烯的片層結(jié)構(gòu)可以將涂層分割成許多小區(qū)間,有效減小涂層內(nèi)部應力,提高涂層的柔韌性、耐沖擊性和耐磨性。
石墨烯在防腐涂料中的應用
石墨烯改性防腐涂料作為石墨烯材料的一個應用領域,近年來迅速成為國內(nèi)外防腐涂料的研究熱點。目前海虹、阿克蘇·諾貝爾、立邦等外資涂料公司已經(jīng)紛紛開展石墨烯防腐涂料的研究與應用,進行前期的技術(shù)儲備。國內(nèi)以中科院寧波材料研究所為代表的少數(shù)科研機構(gòu)和涂料企業(yè)均成功開發(fā)出石墨烯涂料,并已在海洋防腐和工業(yè)防腐領域進行試驗涂裝。傳統(tǒng)涂料通過采用石墨烯材料改性后,其防腐性能不僅會大大提高,而且還能夠賦予涂料許多新的功能。
1石墨烯/環(huán)氧樹脂防腐涂料
環(huán)氧樹脂是以脂環(huán)族或芳香族為主鏈并含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團,通過環(huán)氧基與固化劑反應形成的高分子低聚體。環(huán)氧樹脂可與不同種類的固化劑、稀釋劑、助劑等混合使用,得到了力學、熱學、機械、黏結(jié)和防腐性能優(yōu)異的材料,因此被廣泛地應用。但其固化后強度、導電等性能較差,很難滿足工業(yè)要求。加入石墨烯可以有效解決這些問題,但石墨烯的成本高和分散性差,又阻礙了石墨烯/環(huán)氧樹脂防腐涂料行業(yè)的發(fā)展進程。
2石墨烯/聚苯胺防腐涂料
聚苯胺在涂料中可起屏蔽作用、緩蝕作用和鈍化作用,可以作為防腐涂料的成膜物質(zhì)。聚苯胺涂料防腐性能優(yōu)異,原因是聚苯胺可使金屬表面鈍化。聚苯胺涂料本身已經(jīng)具有很強的防腐性能,石墨烯的摻雜可使其抗腐蝕性能得到進一步提升。但聚苯胺易團聚,解決其與石墨烯的分散問題對于涂料的性能提升最為關鍵。
3石墨烯/聚氨酯防腐涂料
聚氨酯涂料是多異氰酸酯和多元醇加聚反應形成的高聚物,與基材附著力良好,是一種高強度、抗撕裂和耐磨的防腐涂料。聚氨酯具有耐化學腐蝕、機械性能好等特點,是應用較廣的一種材料,但其防腐涂料不耐高溫、不導電,已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代市場的需求。由于石墨烯具有優(yōu)異的光、電、力學性能,用其來改善聚氨酯涂料,可得到具有導電性的防腐涂料。