改性氧化石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及防腐性能

【摘要】：近年来,金属腐蚀现象日益严重,聚苯胺(PANI)由于众多优点,被广泛应用于防腐涂料中。然而由于PANI分子链刚性强,使得其溶解性和可加工性存在缺陷。氧化石墨烯(GO)表面含有众多的含氧官能团,使得聚合物分子链吸附到GO表面后,所得复合材料在水中的分散性得到提高。因此,将PANI与GO制备成形成复合材料成为改善聚苯胺溶解性与可加工性的有效方法之一。本文采用阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和双子表面活性剂(GS)对GO进行改性,制得系列改性GO,并以改性GO和苯胺(An)为原料,过硫酸铵(APS)为引发剂,制得了CTAB改性氧化石墨烯/聚苯胺(CTGO/PANI)复合材料和GS改性氧化石墨烯/聚苯胺(GSGO/PANI)复合材料,最后以CTGO/PANI和GSGO/PANI复合材料为填料,以水性醇酸树脂(WAR)为基体制得环保型复合防腐涂料。具体研究内容如下:(1)采用Hummers法制备GO,并以CTAB和GS为改性剂对GO进行改性,采用Hummers法制备了改性GO。采用红外光谱仪(FTIR)和X射线衍射仪(XRD)对改性GO的结构进行分析。结果表明,CTAB和GS成功插入到GO的层间,使得GO的层间距增大。扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)图结果显示,改性后的GO片层明显变厚且片层之间较为疏松,当GO与CTAB和GS的比例分别为1:1时,能够有效的减少氧化石墨烯的堆积。热重分析结果显示,用CTAB和GS改性后的GO较未改性的GO,热稳定性明显提高,且用GS改性的GO,其热稳定性最好(2)以An为单体,APS为引发剂,通过原位聚合法制备了一系列An和APS不同比例的聚苯胺。FTIR和SEM分析表明,PANI被成功制备。当反应时间为12 h,An:APS为1:1时,PANI呈现明显的较为分散的棒状结构。将制得的聚苯胺静置120 h后,当An和APS的比例为1:1时,分散稳定性最好,依然呈现出稳定的状态。其次以An和CTGO,GSGO为原料,APS为引发剂,采用原位聚合法制备了一系列CTGO/PANI和GSGO/PANI复合材料。采用FTTR,XRD,SEM以及TEM对聚苯胺复合材料的结构及形貌进行表征,结果显示,棒状的聚苯胺分散在GO的片层中,形成明显的片状插层结构。热稳定性测试结果表明,GO经CTAB和GS改性后,再与聚苯胺复合后使得复合材料的热稳定性明显提高,同时也可以看出GSGO/PANI复合材料的热稳定性高于CTGO/PANI复合材料的热稳定性。复合材料分散液稳定性的研究表明,当不同比例CTGO/PANI复合材料和GSGO/PANI复合材料的分散液静置240 h后,CTGO/PANI-2和GSGO/PANI-2分散液呈现稳定的分散状态,未出现沉降现象。(3)以CTGO/PANI和GSGO/PANI为填料,WAR为基体,采用机械共混法制备了CTGO/PANI/WAR和GSGO/PANI/WAR防腐涂料。涂层的力学性能分析表明,CTGO/PANI/WAR-2和GSGO/PANI/WAR-2的力学性能最好。涂层的耐盐雾性实验显示,当涂层在盐雾机中放置24 h后,CTGO/PANI/WAR-2和GSGO/PANI/WAR-2的防腐效果最好。电化学测试表明,在不同比例CTGO/PANI/WAR的涂层中,CTGO/PANI/WAR-2的腐蚀电压最大,为-0.32 V,腐蚀电流最小,为3.18×10~-99 A/cm~2,电化学阻抗值可达到1.03×10~8Ω.cm~2。在GSGO/PANI/WAR系列涂层中,GSGO/PANI/WAR-2涂层的防腐效果最好,与WAR涂层相比,E_(corr)从-0.56 V增大至-0.28 V,I_(corr)从9.55×10~(-7) A/cm~2减小到8.85×10~(-9) A/cm~2,电化学阻抗值可达到3.65×10~8Ω.cm~2。CTGO/PANI/WAR-2和GSGO/PANI/WAR-2在不同腐蚀时间下的电化学分析结果表明,CTGO/PANI/WAR-2和GSGO/PANI/WAR-2都在腐蚀时间为24 h后,防腐效果最好,即使浸泡480 h后,阻抗等电化学性能仍然优于纯WAR涂层。