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氧化石墨烯改性環(huán)氧隔熱涂層的耐蝕和隔熱性能研究

2021-04-21 02:37:47 hualin

摘要: 用氧化石墨烯(GO)濃縮漿分散法制備GO改性環(huán)氧隔熱涂層,在濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為3.5% 的NaCl溶液(50℃)中進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)并測試其腐蝕前后的隔熱性能。432 h的腐蝕電化學(xué)測試結(jié)果表明,用0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 的GO改性顯著提高了涂層低頻阻抗,涂層的耐蝕性優(yōu)于無GO改性和1.0% GO改性的涂層;SEM分析結(jié)果表明,用0.5%和1.0% GO改性的隔熱涂層腐蝕432 h后表面形貌完好,涂層/基體界面處沒有出現(xiàn)裂紋和腐蝕產(chǎn)物,而未經(jīng)GO改性的涂層出現(xiàn)了明顯腐蝕破壞。腐蝕試驗(yàn)前,0.5%、1.0% GO改性的涂層與沒有改性的涂層的隔熱性能沒有明顯的區(qū)別;腐蝕432 h后涂層對250℃熱源分別降溫98℃、123℃、115℃,粘結(jié)強(qiáng)度分別降低了3.9、1.0、2.3 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,用0.5% GO改性的涂層耐蝕和隔熱性能最好。


關(guān)鍵詞: 材料失效與保護(hù) ; 耐蝕與隔熱 ; 氧化石墨烯改性 ; 環(huán)氧涂層

在十三五期間,為了實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)受到重視。隨著供熱改造工程的進(jìn)行供熱管道的應(yīng)用越來越多、傳輸距離越來越遠(yuǎn),傳統(tǒng)的保溫技術(shù)亟需升級。

隔熱涂層是一種功能型涂層,耐熱性能好、熱導(dǎo)率低,可提高供熱管道的熱效率,保障供熱系統(tǒng)的安全和運(yùn)行效益。具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的空心玻璃珠密度低、熱導(dǎo)率低,是制備隔熱涂層的理想材料。Shinkareva等[1]在涂層中加入空心微珠填料,使其熱導(dǎo)率明顯降低。季清等[2]將玻璃微珠添加到聚苯乙烯,其熱導(dǎo)率隨玻璃微珠含量的提高而降低。玻璃微珠的添加量較低時隔熱機(jī)制主要為阻隔型,隨著添加量的增加反射型機(jī)制占主導(dǎo)地位。王金偉等[3]將空心玻璃微珠和海泡石雙填料同時加入到環(huán)氧樹脂基體,其添加量分別為15%時厚度約3 mm的涂層在500℃高溫工作2 min后金屬基體背面的溫度約為300℃。在實(shí)際服役環(huán)境中,部分地區(qū)的供熱管道長期處在重鹽土壤及高溫、高濕等腐蝕環(huán)境中。這將劣化涂層的穩(wěn)定性和隔熱性能,甚至使供熱管道的關(guān)鍵構(gòu)件隔熱防護(hù)失效,降低使用壽命。因此,為了得到更為穩(wěn)定的隔熱性能,必須進(jìn)一步提高涂層的耐蝕性。

添加適量的填料,是提高涂層耐蝕性能的有效方法[4]。近年來,氧化石墨烯(GO)作為一種理想的二維層狀納米填料引起了廣泛的關(guān)注。GO可在涂層中形成抗?jié)B透的迷宮效應(yīng),阻礙腐蝕介質(zhì)的滲透[5,6];表面的含氧基團(tuán)如羥基、羧基和環(huán)氧基不僅增強(qiáng)與有機(jī)涂層的相容性,還有利于氧化石墨烯的功能化[7]。Singh等[8]研究發(fā)現(xiàn),銅基體的GO涂層可作為電子和離子傳輸?shù)钠琳?,抑制腐蝕。Rajabi等[9]在環(huán)氧涂層中添加GO,發(fā)現(xiàn)其阻隔性能明顯提高。Ramezanzadeh等對GO表面進(jìn)行二氧化硅、對苯二胺、3-氨丙基三乙氧基硅烷等接枝改性,提高了GO在涂料中的分散性,使涂料體系具有優(yōu)異的抗腐蝕性能[10,11,12]。

為了提高涂層在腐蝕環(huán)境中的隔熱性能,研制同時具有耐腐蝕、耐溫隔熱的新型多功能隔熱涂料,本文采用氧化石墨烯(GO)濃縮漿分散法制備不同GO含量的改性環(huán)氧隔熱涂層,將其在3.5% NaCl溶液(50℃)中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn),用電化學(xué)阻抗譜(EIS)、掃描電子顯微鏡、粘結(jié)強(qiáng)度測試儀等手段表征涂層的耐蝕性,并測試腐蝕試驗(yàn)前后涂層的隔熱性能。同時,還進(jìn)行涂層的高低溫冷熱循環(huán)試驗(yàn)以觀測其抗冷熱沖擊和熱老化性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 氧化石墨烯改性環(huán)氧隔熱涂層的制備

實(shí)驗(yàn)用材料:環(huán)氧樹脂、四氫呋喃、二甲酰胺、間苯二胺與丁醇;650聚酰胺;氧化石墨烯(GO)由Hummer法制備;BYK110分散劑、空心玻璃珠。

在適量混合溶劑(四氫呋喃:二甲基甲酰胺=4:1)中加入BYK110分散劑,快速攪拌20 min后緩慢加入氧化石墨烯,繼續(xù)攪拌、超聲、離心,去掉上層清液后得到氧化石墨烯濃縮漿(IMR-GO)。

No.1隔熱涂層由甲、乙兩種組分組成,甲組分包括:81份E51環(huán)氧樹脂、9份660A活性稀釋劑、10份空心玻璃珠;乙組分包括:25份復(fù)合固化劑(15份650聚酰胺、7份間苯二胺、3份丁醇)。

分別將甲乙組分的各成分混合后充分?jǐn)嚢璺稚ⅲ賹⒓捉M分與乙組分按100:25的比例混合,固化后制備成No.1隔熱涂層。向環(huán)氧樹脂中分別添加0.5%、1.0%氧化石墨烯含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的IMR-GO,充分?jǐn)嚢柚辆鶆蚍稚⒑蠹尤胂鄳?yīng)比例的活性稀釋劑、空心玻璃珠、復(fù)合固化劑,固化后得到No.2和No.3隔熱涂層。

1.2 性能表征

用透射電子顯微鏡(TEM,Tacnai F30)觀察氧化石墨烯的形貌和分散狀態(tài);用環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM,XL30-FEG-ESEM)觀察涂層腐蝕后的表面和截面形貌。用數(shù)碼相機(jī)拍攝浸泡腐蝕后和冷熱循環(huán)前后的宏觀形貌。

使用Gamry 600+電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測試。電解池采用三電極體系,涂覆有不同涂層的樣板作為工作電極(WE),飽和甘汞電極(SCE)為參比電極(RE),金屬鉑片為輔助電極(CE)。電化學(xué)阻抗譜(EIS)的頻率范圍為105~10-2 Hz,正弦波振幅為20 mV。涂層樣品的有效測試面積為12.56 cm2。測試前將試樣在溶液中浸泡30 min以使開路電位穩(wěn)定。每個樣品在50℃、3.5% NaCl溶液中進(jìn)行三次電化學(xué)試驗(yàn),以檢驗(yàn)測試的重復(fù)性。借助Zsimpwin擬合分析阻抗的測量結(jié)果。

在尺寸為50 mm×50 mm×10 mm的碳鋼板表面涂刷隔熱涂層,按照GB/T5210-2006標(biāo)準(zhǔn)測試涂層的粘結(jié)強(qiáng)度(?b/MPa)。?b=F/A,其中F為加載負(fù)荷(N),A為粘結(jié)面積(mm2)。在3.5% NaCl溶液(50℃)中進(jìn)行腐蝕浸泡實(shí)驗(yàn),測定浸泡不同時間后涂層粘結(jié)強(qiáng)度的變化。

在噴砂后的鋼板表面涂刷隔熱涂層,在25℃干燥養(yǎng)護(hù)120 h,干膜的厚度為3 mm。熱源溫度為250℃,測量熱源與涂層樣板表面的溫差(即隔熱性能),測試裝置如圖1所示。在3.5% NaCl溶液(50℃)中進(jìn)行腐蝕浸泡實(shí)驗(yàn),測定腐蝕前后涂層的溫差-時間隔熱曲線。
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在尺寸為150 mm×75 mm×5 mm的碳鋼板表面涂刷三種隔熱涂層,完全固化后進(jìn)行高低溫循環(huán)冷熱試驗(yàn)。將樣板在溫度為250℃的環(huán)境中放置1 h后再將其在0℃的環(huán)境中放置2 h,記為一個循環(huán)。試驗(yàn)中共進(jìn)行30個循環(huán),觀察涂層在高低溫循環(huán)冷熱試驗(yàn)后的開裂破損和表面顏色的變化,以評價涂層承受循環(huán)高低溫情況下的熱老化性能。

2 結(jié)果和討論

2.1 氧化石墨烯的形貌和分散狀態(tài)
圖2給出了氧化石墨烯和氧化石墨烯濃縮漿的TEM形貌??梢钥闯觯趸℅O)有大比表面積、薄而透明的層狀結(jié)構(gòu)以及邊緣有褶皺等典型特點(diǎn)(圖2a)。GO在氧化石墨烯濃縮漿中的分散良好,沒有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚(圖2b)。

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2.2 50℃鹽水中隔熱涂層的電化學(xué)性能

圖3、圖4分別給出了不同涂層在3.5% NaCl溶液(50℃)中浸泡24 h和432 h后的EIS圖,并使用等效電路圖Rs(Qcoat(Rcoat(QdlRct)))(圖5)擬合EIS結(jié)果。其中Rs為溶液電阻,Qcoat為涂層的常相位角元件(CPE),Rcoat為涂層電阻,Qdl為雙電層的常相位角元件,Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻。
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由圖3b可見各涂層阻抗模值和相位角隨頻率的變化趨勢,其中|Z|0.01 Hz表征涂層的耐蝕性能[13]。No.1、No.2和No.3隔熱涂層的|Z|0.01 Hz分別為6.61×105、2.37×106和1.21×106 Ω·cm2,與Nyquist圖(圖3a)中弧的大小排序相同。相比于No.1涂層,No.2和No.3涂層相同的高頻相角出現(xiàn)在更低頻率。這些結(jié)果表明,含有氧化石墨烯的No.2和No.3涂層的耐蝕性優(yōu)于No.1涂層[14]。

由圖4a可見,從No.1涂層到No.3涂層其容抗弧半徑先增大后減小,涂層的電阻依次為4.22×103、1.15×105、7.47×104 Ω·cm2。涂層的電容隨著吸水率的增加而增加,反映了涂層的介電性能。因電極的表面不均勻,用有效電容

替代純電容。

由表1可見,有效電容大小的排序?yàn)镹o.1>No.3>No.2??梢奛o.2涂層的抗腐蝕介質(zhì)滲透能力最強(qiáng),No.1涂層最差。圖4b表明,浸泡432 h后No.2涂層的低頻阻抗仍然最高,No.1涂層的阻抗降低的幅度最大且高頻(105 Hz)相位角較小,約為66°,說明未經(jīng)氧化石墨烯改性的No.1涂層屏蔽耐蝕作用的下降最為明顯[15]。1.0%氧化石墨烯在聚合物涂層中含量過高,分散穩(wěn)定性下降,使其耐蝕性能比含有0.5%氧化石墨烯的改性涂層有所降低[16,17,18]。

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2.3 涂層的形貌

圖6給出了三種涂層在50℃鹽水環(huán)境中浸泡432 h后的宏觀形貌??梢钥闯?,No.1涂層的表面出現(xiàn)了明顯的銹點(diǎn)和銹跡,而No.2、No.3涂層均無肉眼可見的腐蝕跡象。這表明,氧化石墨烯濃縮漿改性環(huán)氧隔熱涂層具有良好的耐蝕性。
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圖7給出了涂層在50℃鹽水環(huán)境中浸泡432 h后的表面形貌SEM照片。由圖7a可見,在No.1涂層表面出現(xiàn)一些較大的孔洞和降解,說明涂層發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕介質(zhì)滲透。雖然No.2、No.3涂層的表面也出現(xiàn)了針孔,但是數(shù)量和尺度明顯小于No.1涂層,是在涂層干燥成膜過程中少量溶劑揮發(fā)所致。0.5%氧化石墨烯濃縮漿改性的環(huán)氧隔熱涂層的表面狀態(tài)最好,因?yàn)檠趸┰谕繉又芯鶆蚍€(wěn)定分散,提高了涂層的耐腐蝕性能。
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圖8給出了浸泡432 h后涂層的截面SEM照片。圖8表明,在No.1涂層與金屬基體的界面發(fā)生了明顯的破壞,腐蝕產(chǎn)物層的厚度較大,表明腐蝕介質(zhì)已穿過涂層滲透到基體造成腐蝕。相比之下,No.2、No.3涂層/基體界面處的腐蝕產(chǎn)物較少。其原因是,生成的片狀氧化石墨烯網(wǎng)絡(luò)延長了擴(kuò)散路徑,阻礙了腐蝕介質(zhì)與基體接觸,抑制了腐蝕的發(fā)生[19]。No.2涂層的界面狀態(tài)最為完好,與對涂層表面形貌的分析結(jié)果一致。
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2.4 粘結(jié)強(qiáng)度

將未腐蝕和在50℃鹽水浸泡過程中涂層的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行對比,結(jié)果如圖9所示。在熱鹽水浸泡過程中三種隔熱涂層的粘結(jié)強(qiáng)度都降低了,但是No.2涂層的粘結(jié)強(qiáng)度始終比較高(大于6.5 MPa)。浸泡24 h后三種涂層的粘結(jié)強(qiáng)度降低較小,No.1、No.2、No.3隔熱涂層只分別降低了為0.8、0.2、0.6 MPa;浸泡240 h后降低較大,分別為2.8、0.9、2.1 MPa;浸泡432h后分別降低3.9、1.0、2.3 MPa。0.5%氧化石墨烯濃縮漿改性的環(huán)氧隔熱涂層在浸泡過程中粘結(jié)強(qiáng)度降低最少,可歸因于其優(yōu)異的耐蝕性能。
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2.5 腐蝕對涂層隔熱性能的影響

圖10給出了腐蝕試驗(yàn)前涂層的溫差-時間隔熱曲線,可見三種隔熱涂層的隔熱降溫性能相近。進(jìn)行60 min隔熱試驗(yàn)后,三種涂層樣板將內(nèi)部250℃熱源的溫度降低83~90℃;而進(jìn)行420 min的隔熱試驗(yàn)后,三種涂層的隔熱降溫程度達(dá)到125~129℃。這說明,在非腐蝕環(huán)境中氧化石墨烯沒有提高環(huán)氧隔熱涂層的降溫隔熱性能。
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圖11給出了50℃、3.5% NaCl溶液中浸泡432 h后三種隔熱涂層的溫差-時間隔熱曲線。可以看出,在250℃熱源放置420 h后No1、No2、No3隔熱涂層分別降溫98℃、123℃、115℃。這表明,含有0.5%氧化石墨烯的環(huán)氧隔熱涂層的隔熱性能最好,含有1.0%氧化石墨烯的涂層隔熱性能次之,無氧化石墨烯改性的涂層隔熱性能最差。這些結(jié)果與EIS電化學(xué)分析、SEM形貌和粘結(jié)強(qiáng)度等分析結(jié)果一致,表明0.5%氧化石墨烯能顯著提高環(huán)氧隔熱涂層在腐蝕環(huán)境中的耐蝕與隔熱性能。

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2.6 高低溫冷熱循環(huán)試驗(yàn)

冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)前后的樣板表面變化,如圖12所示??梢钥闯觯琋o.1、No.2、No.3隔熱涂層樣板經(jīng)過30個高低溫循環(huán)冷熱試驗(yàn)后都沒有開裂破損,只是顏色略有變化。這表明,涂層具有較好的抗冷熱沖擊和熱老化性能。
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3 結(jié)論

(1) 用氧化石墨烯濃縮漿改性顯著提高了環(huán)氧隔熱涂層在50℃、3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗。腐蝕432 h后0.5% GO改性涂層表面沒有明顯的降解,涂層/基體界面也沒有腐蝕和裂紋。

(2) 在50℃、3.5%NaCl溶液中浸泡432 h后0.5% GO改性環(huán)氧隔熱涂層的粘結(jié)強(qiáng)度只降低了1.0 MPa,明顯優(yōu)于無GO和1.0% GO改性的涂層。

(3) 對于250℃熱源,0.5% GO改性環(huán)氧隔熱涂層降溫123℃,降溫程度高于無GO及含1.0% GO的隔熱涂層。在環(huán)氧隔熱涂層中添加穩(wěn)定分散的0.5% GO濃縮漿,可顯著提高腐蝕環(huán)境中的隔熱性能。

(4) 在30個高低溫冷熱循環(huán)試驗(yàn)后環(huán)氧隔熱涂層的表面沒有明顯開裂,具有良好的抗熱沖擊和熱老化性能。

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