石墨烯改性富鋅底漆的制備及在集裝箱上的應(yīng)用

劉立偉 許怒涌 陳建軍 戴凱 王自龍 楊鴻鵬

摘要：選取插層解理法制備的水性石墨烯漿料對水性環(huán)氧富鋅（80%）底漆進行改性，取代其20%的鋅粉，制備水性石墨烯（60%）鋅粉底漆。重點對比了石墨烯不同添加量的水性（60%）鋅粉底漆和水性（80%）鋅粉底漆的涂層附著力、柔韌性、耐性鹽霧等性能。結(jié)果表明：在集裝箱涂層相同的配套（環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧中間漆+丙烯酸面漆）膜厚下，水性（60%）鋅粉底漆在合適的石墨烯的添加量下，降低鋅粉用量但可以提高涂層的耐中性鹽霧性能，其中石墨烯添加量在0.3%綜合性能最佳，耐沖擊性（正沖）50cm，劃格附著力1級，耐中性鹽霧1200h，遠超集裝箱傳統(tǒng)涂層配套技術(shù)要求的600h。

關(guān)鍵詞：石墨烯；富鋅底漆；集裝箱

由于富鋅涂料對基材具有優(yōu)異的保護性能，其在集裝箱涂層防腐領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。此外，水性環(huán)氧富鋅涂料施工工藝簡單方便，涂膜十分符合集裝箱行業(yè)對涂層的整體性能要求[3]。但是環(huán)氧富鋅涂料，需要大量的鋅粉構(gòu)成陰極的防護導(dǎo)電通路，大量鋅粉的使用會存在一部分技術(shù)缺陷：首先會導(dǎo)致漆膜脆性較大，影響柔韌性；其次影響漆膜致密性，導(dǎo)致漆膜耐水性差；鋅粉含量過高不僅影響焊接性能，還會產(chǎn)生鋅煙，不利于焊接操作人員的身體健康；鋅粉屬于耗竭資源，對其大量使用，不僅材料成本高，且浪費資源和能源。因此在保持原有的性能基礎(chǔ)上，降低鋅粉的用量，利大于弊。

環(huán)氧富鋅涂層中的鋅粉隨著腐蝕的時間加長被氧化導(dǎo)致導(dǎo)電性降低，可能阻斷電子的傳輸路徑，讓環(huán)氧富鋅原本的陰極保護大幅降低，從而導(dǎo)致涂層防腐性能變差。高質(zhì)量薄層石墨烯是片層結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)異的導(dǎo)電性，將其以合適的量添加到富鋅底漆中，可以和鋅粉形成極佳的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，即可以讓石墨烯實現(xiàn)導(dǎo)電搭橋，實現(xiàn)降低部分鋅粉用量，涂層也具有良好的防腐性。同時，石墨烯對于腐蝕介質(zhì)具有不可滲透性，添加在富鋅底漆中，其片層結(jié)構(gòu)層層疊加、交錯排列，在涂層中可形成“迷宮式”屏蔽結(jié)構(gòu)，形成一道道屏蔽阻隔，能有效抑制腐蝕介質(zhì)的侵蝕，提高涂層物理阻隔性，對鋼材和鋅粉都提供了保護作用[4-6]。

本實驗選取了插層解理法制備的水性石墨烯漿料對水性（80%）鋅粉底漆進行改性，取代其20%的鋅粉，開發(fā)出水性石墨烯（60%）鋅粉底漆，在降低鋅粉用量的基礎(chǔ)上，通過物理機械性能、耐中性鹽霧測試，研究了石墨烯添加量影響涂層防腐性能的規(guī)律，并在集裝箱上進行應(yīng)用，在滿足基本物理機械性能的基礎(chǔ)上，耐中性鹽霧性能遠超集裝箱傳統(tǒng)涂層配套國標耐中性鹽霧要求的600h，達到1200h。

1實驗部分

1.1主要原料及儀器

水性石墨烯漿料：中烯涂墨烯-格瑞豐ZX；環(huán)氧乳液：工業(yè)級，美國瀚森；改性多元胺：上海瀚岱；鋅粉：工業(yè)級，800目，湖南新威凌；特殊防腐顏料：工業(yè)級，600，泰和；膨潤土，海明斯；分子篩A3，格雷斯；分散劑6208：工業(yè)級，湛新；消泡劑011：工業(yè)級，畢克；ZX-E-2003水性環(huán)氧中間漆、ZX-C-5003水性丙烯酸面漆：工業(yè)級，福建中烯新材料有限公司；異丙醇、乙二醇丁醚：工業(yè)級，市售。

BSA4202S電子天平（0.01g），Sartorius；BGD740/2分散機、BGD225流掛儀、BGD503附著力劃格板、BGD302漆膜沖擊器、BGD880鹽霧試驗箱，標格達；HWS-80B恒溫干燥箱，宏諾。

1.2配方

配方見表1和表2。

A組分制備：依次加入改性多元胺、分散劑、助溶劑，低速攪拌10min，然后緩慢添加膨潤土、蠟粉、分子篩高速分散40min至細度60um以下，其中保持溫度在45～55℃至少25min，最后緩慢加入防腐填料、鋅粉繼續(xù)高速分散30min即可。

B組分制備：依次加入環(huán)氧乳液、石墨烯漿料、防閃銹劑、市自來水、消泡劑，然后中速分散30min，過濾即可。

1.3分析與測試

1.樣板制作：將A、B組分按照5：1質(zhì)量比混合攪拌均勻后，加入適量的純水稀釋至合適的施工粘度，按照集裝箱用水性涂料JH/T E06-2021的標準制備富鋅底漆+環(huán)氧中間漆+丙烯酸面漆涂層配套樣板，實驗室用2～3mm噴砂鋼板，采用有氣噴涂。

2.性能測試：漆膜的耐水性按照GB/ T1733—1993進行測試；耐鹽霧性按照GB/ T1771—2007進行測試；附著力按照GB/ T9286—2021進行測試；柔韌性按照GB/ T1731—2020；抗沖擊性按照GB/T1732—2020標準進行測試。

2結(jié)果與討論

2.1水性石墨烯（60%）鋅粉底漆與水性（80%）鋅粉底漆物理性能對比

物理性能測試對比，結(jié)果見表3，其中石墨烯的添加量為干膜的質(zhì)量分數(shù)。

由表3可以知，未添加石墨烯的80%和60%鋅粉底漆，柔韌性只能到2mm，而添加≥0.3%的石墨烯的柔韌性能到1mm。所有涂層耐沖擊都可以達到50cm，無開裂、脫落現(xiàn)象。大于等于0.3%石墨烯，劃格附著力可以做到0級，其他的只能做到1級。由此看出，當石墨烯添加到一定量時，可明顯改善涂層的柔韌性和附著力，可能是由于石墨烯本身特殊的片層結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能，從而使涂層有優(yōu)異的物理性能。

2.2水性石墨烯（60%）鋅粉底漆與水性（80%）鋅粉底漆的涂層配套綜合性能對比

由以上測試結(jié)果挑選石墨烯添加量0.1%、0.3%、0.5%的配方與80%鋅粉底漆進行集裝箱涂層配套綜合性能測試，結(jié)果見表4。按照正常生產(chǎn)節(jié)拍施工，底漆噴涂一道30um；環(huán)氧中間漆噴涂一道50um；丙烯酸面漆噴涂一道40um。

可見，石墨烯的引入可以提高涂層的防腐蝕性能和機械性能，當石墨烯添加量較低時，涂層的防腐性能隨著石墨烯摻量的增加有逐漸提高的趨勢；但是，當石墨烯添加量超過0.3%時，機械性能最佳但涂層的防腐性能開始出現(xiàn)明顯下降，可能是因為體系中石墨烯過量，在涂層中分布不均導(dǎo)致內(nèi)部缺陷增多，影響了涂層防腐性。

3結(jié)語

通過選取插層解理法制備的石墨烯代替部分鋅粉，添加相對合適的量，可在涂層中均勻分散，不團聚，制備的水性石墨烯環(huán)氧鋅粉防腐涂料具有優(yōu)異的力學(xué)性能與防腐性能。

當石墨烯添加量為干膜質(zhì)量的0.3%時，所制備的水性石墨烯（60%）鋅粉底漆+環(huán)氧中間漆+丙烯酸面漆的集裝箱配套涂層綜合性能最佳，附著力0級，柔韌性1mm，耐沖擊50cm，耐中性鹽霧達到1200h，超過水性80%鋅粉底漆的配套的600h要求。該石墨烯改性富鋅（60%）底漆，能夠降低鋅粉的用量，耐腐蝕、施工性能優(yōu)異，并且與中間漆、面漆有良好的配套性，在集裝箱的涂裝中，有很高的實際使用價值。

參考文獻

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（作者單位：中烯新材料（福建）股份有限公司）