河北科技大学|赵璐璐,唐二军,刘少杰,等:POSS改性氧化石墨烯对涂层防腐和疏水性能的影响

学术   2024-10-10 16:50   北京  

POSS改性氧化石墨烯对涂层防腐和疏水性能的影响

赵璐璐 唐二军 邢旭腾刘少杰 褚晓萌呼娜张泽

(河北科技大学化学与制药工程学院,河北 石家庄 050018)

DOI:10.11949/0438-1157.20240196


摘 要 通过有机硅化合物γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)自水解缩合制得有机-无机杂化材料笼型倍半硅氧烷(POSS),将其接枝到氧化石墨烯(graphene oxide,GO)上以克服GO的聚集,利用Boehm滴定法测定接枝率为98.3%,进一步负载锌离子制得复合纳米粒子POSS/GO/Zn。通过FT-IR、XRD、Raman、NMR和SEM对POSS/GO/Zn结构及微观形貌进行了表征,并将其应用在水性环氧树脂(WEP)涂层材料中,电化学阻抗谱(EIS)和水接触角测试结果表明,所制得的纳米粒子的复合涂层具有优异的防腐和疏水性能,在3.5%氯化钠溶液中浸泡40 d后POSS/GO/Zn/WEP的阻抗值为8.33×105 Ω·cm2,大于空白环氧涂层浸泡第一天的初始值1.46×105 Ω·cm2,水接触角由48.42°增大至98.11°,涂层由亲水转为疏水特性,表明该材料在涂层材料中具有良好的应用潜能。
关键词 腐蚀;表面;纳米材料;氧化石墨烯

Effects of POSS modified graphene oxide in anti-corrosion and hydrophobic properties of coatings

ZHAO Lulu TANG Erjun XING XutengLIU Shaojie CHU XiaomengHU NaZHANG Ze

(College of Chemical & Pharmaceutical Engineering, Hebei University of Science &Technology, Shijiazhuang 050018, Hebei, China)

Abstract: The cage sesquisiloxane (POSS) of organic-inorganic hybrid material was prepared by self-hydrolytic condensation of organosilicon compound γ-aminopropyl triethoxysilane (APTES),and then it was grafted onto graphene oxide (GO) to overcome aggregation of GO. The grafting rate was determined to be 98.3% by Boehm titration, and further loaded with zinc ions to prepare composite nanoparticles POSS/GO/Zn. The structure and microstructure of POSS/GO/Zn were characterized with FT-IR, XRD, Raman, NMR, and SEM, and applied to waterborne epoxy resin (WEP) coating materials. The electrochemical impedance spectroscopy (ESI) and water contact angle results showed that the composite coating of the obtained nanoparticles presented the excellent anti-corrosion and hydrophobic properties. The impedance value of POSS/GO/Zn/WEP after being soaked in 3.5% sodium chloride solution for 40 days was 8.33×105 Ω·cm2, which was greater than the initial value of 1.46×105 Ω·cm2 on the first day of immersion of the blank epoxy coating. The water contact angle increased from 48.42° to 98.11°, and the property of coating changed from hydrophilic to hydrophobic,indicating that the POSS/GO/Zn has good potential for application in coatings.
Keywords: corrosion;surface;nanomaterials;graphene oxide

引 言

金属腐蚀问题每年造成巨大的经济损失,还会带来安全事故[1]。有机保护金属涂层具有成本低、操作简便等优点,广泛应用在金属腐蚀防护领域。水性环氧涂料因具备良好的环保性、优异的附着力、耐化学腐蚀性等优点而得到广泛使用[2-3],但是水性环氧涂层耐候性较差,长期使用易老化开裂,防腐效果降低,在一些环境较为恶劣且不便反复涂装的金属设备上不能满足长期防腐保护的需求[4-5]
为了提高水性环氧涂层的防护性能,添加氧化石墨烯(GO)改性环氧涂料,利用GO良好的防渗透性和机械强度增强涂层的阻隔性能[6]。与传统的改性材料相比,具有剥离状的石墨烯材料对环氧涂层性能提升具有更大的优势[7]。研究发现完全剥离的氧化石墨烯可加速环氧树脂固化,并可以显著改善材料的力学性能[8]。在涂料中以GO为增强剂制备了水性环氧复合涂层,增强了对氯离子的抗渗透性[9]。然而,在实际应用过程中由于GO片层间范德华力相互吸引导致片层堆叠影响其性能的发挥,因此,提高GO在水性体系中的分散性是涂料中应用的关键[10]。有学者将二氧化硅功能化氧化石墨烯掺入环氧涂料体系中,增强了其分散性,提高了涂层的热稳定性和耐腐蚀性能[11]。利用顶端带有苯基的POSS与GO通过非共价键连接实现官能团化,POSS的笼状骨架结构嵌入GO片层之间产生了空间位阻效应,提高了GO的分散性能,增强了涂层的拉伸强度[12]。将POSS与GO接枝得到的POSS/GO,添加在氟化聚酰亚胺(FPI)得到复合涂层,研究发现涂层的防腐和疏水性能都得到提高[13]
本研究利用POSS对GO进行改性,首先制得带有氨基的有机-无机杂化材料笼型POSS,将其接枝到GO层间,以克服GO的聚集[12-13],在此基础上负载锌离子,提高涂层的防腐性能。采用硅烷偶联剂APTES自水解缩合制备POSS,将POSS上的氨基与GO片层上的羧基通过更稳定的共价键连接,锌离子则在分散的GO片层上生长出氧化锌晶体。探究了POSS、GO与氧化锌三者的协同作用下,增强水性环氧涂层的防腐蚀和疏水性能及其机理,为POSS改性氧化石墨烯材料在水性环氧金属防护涂料中的应用奠定基础。

1 实验材料和方法

1.1 试剂及材料

γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、四乙基氢氧化铵,上海麦克林生化科技股份有限公司;丙醇、环己烷、乙腈,天津市大茂化学试剂厂;多聚甲醛,萨恩化学技术(上海)有限公司;氧化石墨烯,苏州碳丰石墨科技有限公司;环氧乳液、固化剂及增稠剂、润湿剂,沈阳东岩涂料装饰有限公司;消泡剂,日本若普科;去离子水为实验室自制。

1.2 复合纳米材料及复合涂层的制备

1.2.1 POSS 和POSS/GO的制备
向三口烧瓶中依次加入45 g水、20 ml丙醇、5 ml乙腈和1 ml四乙基氢氧化铵混合,然后,将110.5 g APTES缓慢滴加在上述溶液中,50℃剧烈搅拌24 h,旋转蒸发去除多余溶剂,加入水和环己烷依次清洗,并冷冻干燥,得到白色粉末产品POSS。
将25 mg GO加入50 ml二甲基亚砜(DMSO)中,超声处理10 min,得到GO分散体,准确称得262 mg上述制得的POSS和82 mg多聚甲醛,与GO分散体混合,氮气气氛下,180℃搅拌加热24 h,反应结束后,离心并用去离子水对反应所得的黑棕色沉淀反复洗涤,冷冻干燥得产品POSS/GO。
1.2.2 POSS/GO/Zn的制备
取20 mg上述反应制得的POSS/GO于100 ml去离子水中超声处理10 min,随后向POSS/GO分散液中加入30 mg硝酸锌,60℃反应4 h,反应结束后离心、洗涤、干燥,得产品POSS/GO/Zn。
1.2.3 POSS/GO/Zn/WEP复合涂层的制备
将15 mg的功能材料POSS/GO/Zn分散在2 ml水溶液中超声处理10 min,得到均匀的水分散液,随后将1.6 g水基环氧固化剂搅拌并分散在上述功能材料的水分散液中。将混合物与2 g水性环氧树脂物理共混得到水性环氧复合涂料POSS/GO/Zn/WEP。为方便进行对比实验,按照同样方法制备了空白水性环氧涂层以及相同含量的GO/WEP、POSS/GO/WEP涂层,具体配比如表1所示。

表1   空白及复合环氧涂料的配比Table 1   The ratio of blank and composite epoxy coatings


在预先处理的Q235碳钢以及马口铁上采用刮涂法得到均匀涂层,涂层厚度控制在100~120 μm,室温固化得到涂层。

1.3 测试及表征

傅里叶变换红外光谱(FT-IR),FTS-135型,美国赛默飞;X射线衍射仪(XRD),Smart Lab9KW,日本Rigaku精密仪器有限公司;拉曼光谱仪,Renishaw in Via Qontor,英国雷尼绍公司;核磁共振波谱仪,Quantum-I plus,武汉中科牛津波谱技术有限公司;扫描电子显微镜(SEM),S-4800-I,BIO-RAD.Co.USA;水接触角测量仪,Attension Theta Flex,百欧林科技;电化学工作站,CHI-670,上海辰华仪器有限公司;盐雾腐蚀试验箱,GYWX-250,上海今友试验设备有限公司。
将得到的POSS与GO进行反应并计算其接枝率。根据Boehm滴定法,碳酸氢钠只与碳材料表面的羧基发生反应[14],按照文献报道的方法对GO及POSS/GO所含羧基进行测定[15]。POSS与GO的接枝情况用接枝率表示,即POSS与GO反应前后GO上的羧基质量变化量:

%(1)
式中,为POSS/GO的接枝率,%;为GO表面的羧基含量,%;为POSS/GO表面的羧基含量,%。

2 实验结果与讨论

2.1 复合环氧涂层的制备及防腐机理

POSS/GO/Zn功能材料的化学结构和反应制备过程如图1所示。硅烷偶联剂在水和醇类的混合溶液体系下会发生水解生成硅醇[16],本实验采用硅烷偶联剂APTES,在水和丙醇溶液体系中以四乙基氢氧化铵为催化剂,进行水解形成中间体硅醇,硅醇发生脱水缩合反应形成产物POSS。POSS上的氨基与GO片层上的羧基发生酰胺化接枝反应得到POSS/GO,通过静电吸附进一步在制得的POSS/GO上负载锌离子[17],得到POSS/GO/Zn功能复合材料。

图1   POSS(a),POSS/GO(b)和POSS/GO/Zn(c)功能材料的制备反应过程Fig.1   Preparation of POSS (a), POSS/GO (b) and POSS/GO/Zn (c) functional materials
将POSS/GO/Zn功能材料加入水性环氧涂层中,通过GO、POSS和氧化锌三方面的协同作用,提高涂层的防腐性能。水性复合涂层的结构和作用机理如图2所示。首先,POSS与GO通过共价键连接,形成更稳定的结构[18],POSS的立体结构可将GO片层更大限度地剥离,提高GO的分散性;其次,POSS中丰富的硅含量有助于提高涂层的疏水性[19],减少腐蚀介质与涂层表面的接触,建立起防护涂层与腐蚀介质间的一道屏障;最后,进一步在POSS/GO上负载缓蚀剂锌离子,可提高功能材料在涂层中的防腐效果,如腐蚀发生后局部pH的变化,导致锌离子在涂层中释放并形成氧化物薄膜,阻止腐蚀的进一步发生[20]

图2   POSS/GO/Zn功能材料及水性复合涂层的制备机理Fig.2   Preparation mechanism of POSS/GO/Zn and waterborne composite epoxy coating

2.2 复合纳米材料的结构表征

2.2.1 POSS的结构表征
利用核磁共振波谱仪和X射线衍射仪(XRD)对制得的POSS进行结构表征,其结果如图3所示。氘代试剂为重水峰值在4.79处,核磁氢谱[图3(a)]中在0.76、1.80及3.04处出现的信号峰,分别与笼状结构端点处连接的丙基上亚甲基氢(—CH2)的位置相吻合,由于氨基上活泼氢在溶剂中交换太快,氢谱中没有检测到明显的氨基信号峰[21]。核磁碳谱[图3(b)]中在8.71、20.66以及41.73处出现的三个明显信号峰与丙基上的碳对应,未出现杂峰,说明该结构中只含有三个位置的碳原子,合成的POSS结构单一且比较完整。

图3   POSS的核磁氢谱(a),核磁碳谱(b)和XRD谱图(c)Fig.3   1H NMR spectra (a), 13C NMR spectra (b) and XRD pattern (c) of POSS
图3(c)为POSS的X射线衍射图,在2θ为6.48°和22.51°处出现两处衍射峰,其中6.48°处出现的尖锐衍射峰与POSS分子的主链间距有关,22.51°出现的宽峰则是与POSS的笼状结构有关[22]
2.2.2 改性前后GO的结构表征
通过FT-IR、XRD以及拉曼光谱仪分析改性前后GO的结构变化。图4(a)为POSS/GO、POSS/GO/Zn和GO的红外光谱图,改性前的GO上含有较多的含氧集团,在3290 cm-1处出现较宽的羟基振动峰,1730 cm-1和1620 cm-1处分别出现CO键和CC键的特征吸收峰,经过POSS改性后的GO结构中羟基峰明显变窄,说明部分羟基在反应过程中发生脱落,同时2900 cm-1和2970 cm-1处出现氨丙基上的C—H伸缩振动特征峰,结合1630 cm-1处出现的酰胺键特征峰说明POSS端基上的氨基基团与GO片层上的羧基发生酰胺化反应成功接枝。1050 cm-1的吸收峰则由POSS中的Si—O—Si骨架产生。负载锌离子后出现了1390 cm-1和470 cm-1处的吸收峰分别对应氢氧化锌和Zn—O键的特征峰[23]

图4   GO、POSS/GO和POSS/GO/Zn的红外光谱图(a)和XRD谱图(b)Fig.4   FT-IR spectra (a) and XRD patterns (b) of nanomaterials GO,POSS/GO and POSS/GO/Zn
利用X射线衍射可判断化合物的晶体结构并计算材料层间距,对GO、POSS/GO和POSS/GO/Zn分别进行了XRD测试,结果如图4(b)所示。GO在12.58°处的特征衍射峰对应其001晶面的衍射峰,在POSS/GO中该衍射峰左移至11.96°处,根据布拉格方程计算,GO的层间距由0.70 Å(1 Å=0.1 nm)增大至0.74 Å,证明经过POSS改性后的GO片层打开,改善了GO的团聚性。在POSS/GO上负载锌离子后在2θ为31.72°、34.46°以及36.22°处出现的尖状峰归属于氧化锌,说明锌离子在POSS/GO纳米材料上以氧化锌的形态存在[24]
通过对GO、POSS/GO进行拉曼测试分析POSS的引入对GO产生的结构变化[25],图5(a)~(c)分别为GO与POSS/GO的拉曼光谱总体对比图、GO的峰值拟合图以及POSS/GO的峰值拟合图。如图所示,在1358.6 cm-1以及1585.1 cm-1处分别出现了GO的D带和G带特征峰[26],在POSS/GO中这两处峰的位置发生红移,分别为1348.8 cm-1和1583.5 cm-1,ID/IG由GO改性前的0.84增大至0.98,说明POSS的引入增大了GO的结构缺陷,对GO的结构产生影响[27]

图5   GO、POSS/GO的拉曼光谱图Fig.5   Raman plots of nanomaterials GO and POSS/GO
2.2.3 改性前后GO的形貌分析及POSS/GO/Zn的EDS能谱表征
利用扫描电子显微镜(SEM)对得到的纳米复合材料的微观结构进行观察,结果如图6所示。从图6(a)中可以看出GO的片层为褶皱状团聚,图6(b)中经过POSS修饰后的GO的褶皱结构打开,层间距增大,这与拉曼和XRD分析结果相一致。图6(c)中负载锌离子后的POSS/GO的表面及边缘出现颗粒状物质的附着,结合红外以及XRD结果分析,该物质为氧化锌晶体,从图6(d)的POSS/GO/Zn的EDS结果可以得知锌元素占比达到16.89%。

图6   GO(a)、POSS/GO(b)和POSS/GO/Zn(c)的SEM图及POSS/GO/Zn的EDS图(d)Fig.6   SEM images of GO (a), POSS/GO (b) and POSS/GO/Zn (c) and EDS polts of POSS/GO/Zn (d)

2.3 水性环氧涂层的性能探究

2.3.1 功能材料对涂层的耐腐蚀性能的影响
EIS是表征涂层的耐腐蚀性能的一种有效手段[28]。将纯水性环氧(WEP)涂层、添加量为0.4%的GO、POSS/GO以及POSS/GO/Zn的WEP涂层在3.5%的氯化钠溶液中浸泡1、10、20、30、40 d得到Nyquist和Bode数据,利用Zsimpwin软件进行拟合,结果如图7所示。

图7   在3.5%氯化钠溶液中浸泡不同时间的Nyquist和Bode图:(a)~(c)WEP;(d)~(f) GO/WEP;(g)~(i)POSS/GO/WEP;(j)~(l)POSS/GO/Zn/WEPFig.7   The Nyquist and Bode plots of WEP [(a)—(c)], GO/WEP [(d)—(f)], POSS/GO/WEP [(g)—(i)], and POSS/GO/Zn/WEP [(j)—(l)] after immersion for different durations in 3.5%(mass) NaCl solution
浸泡初始阶段,涂层表现出高电阻和低电容状态,当涂层在电解质溶液中暴露时间增长,腐蚀离子从涂层微孔中渗透到金属基体表面发生腐蚀,Nyquist图中电容弧直径越大,表明材料的耐腐蚀效果越好[29]。从图中可以看出,浸泡第1天时,所有涂层均呈现半圆状,证明在浸泡开始时所有涂层均具有良好的阻隔作用,对金属基体呈现出较好的保护作用。但随着时间的延长,空白涂层和以GO为填料的水性环氧涂层均在第10天的阻抗值出现大幅下降,空白涂层的阻抗值由第1天的1.46×105 Ω·cm2下降至2.85×104 Ω·cm2,GO/WEP的阻抗值也由第1天的1.92×106 Ω·cm2下降至1.57×105 Ω·cm2。究其原因,推测是空白WEP涂层在固化过程中形成微孔[30],而GO在涂层中起到一定的阻隔效果,但由于相互之间团聚,导致防腐效果下降。浸泡30 d时,WEP和GO/WEP涂层均出现两个容抗弧,表明发生腐蚀行为[31]
相对应地,Bode-Phase中30 d和40 d的相位角也增大。相位角是EIS测试中交流电压与交流电流的相位差的表现方式,当相位角接近0°时,表明电化学是控制腐蚀过程的主要因素,材料此时具有较好的腐蚀抵抗性,相位角增大则表明质子或离子传输开始出现,材料的腐蚀抵抗性变差[32]。POSS/GO和POSS/GO/Zn在浸泡40 d后仍保持一个阻抗弧,POSS/GO阻抗值为8.12×105 Ω·cm2,POSS/GO/Zn的阻抗值为8.33×105 Ω·cm2,表明涂层仍具有良好的抗腐蚀性。这归因于涂层中的POSS/GO与氧化锌在涂层中发挥了“主动防腐”和“被动防腐”的协同作用[33]。POSS/GO及氧化锌一方面增大了GO的层间距,增大了其在水性涂料中的分散性,使得GO在涂层中均匀分散延长腐蚀剂介质的扩散路径。另一方面,氧化锌具有良好的耐光、耐热作用,它能与涂料中的羧酸根离子形成配位化合物,从而降低涂膜中水的敏感性,提高涂膜的耐候性[32,34]
通过Tafel曲线腐蚀电位与电流的关系进一步说明涂层的防腐效果,将涂层在3.5%的氯化钠溶液中浸泡并在第10天时测定极化曲线如图8所示。从图中可以看出,涂层中GO及改性GO的加入对涂层试样的腐蚀行为有明显影响,与空白WEP涂层相比,腐蚀电流明显降低,腐蚀电位从-0.91 V增大到-0.70 V,表明添加POSS/GO/Zn后的WEP涂层抗腐蚀能力有了进一步提升[35]

图8   在3.5%氯化钠溶液中浸泡10 d后的涂层极化曲线Fig.8   The curve of polarization of composite coatings soaking in 3.5% NaCl solution for 10 d
为观察涂层的耐盐雾性能,将涂层局部划痕暴露在含有5%的氯化钠盐雾中进行耐蚀性实验,测试720 h后取出涂层自然干燥,然后用流动水冲洗,干燥后观察表面,结果如图9所示。可以观察到空白涂层的试样表面布有薄层的腐蚀产物,且划痕处锈迹范围大;在涂层中添加GO填料的表面锈蚀减少,表面腐蚀产物减少为点状,说明GO在涂层中起到一定的防腐作用,但由于GO片层间的聚集影响了其阻隔效果;添加POSS/GO后的涂层划痕处锈迹减少,涂层表面出现轻微腐蚀物,说明POSS在GO上的接枝使得GO的分散性增强,另一方面,改性后涂层的疏水性增大也为涂层的防腐性做出贡献;添加POSS/GO/Zn的水性环氧涂层表面的锈蚀进一步减少,涂层划痕处未见明显锈蚀,在划痕附近涂层出现轻微起泡,说明在POSS/GO上生长的氧化锌在涂层中起到防腐效果并可能存在自愈合现象。腐蚀发生后局部pH发生变化,这使得生长在POSS/GO上的氧化锌转化为锌离子,并与水分子得到电子产生的OH-进一步生成氢氧化锌薄膜覆盖在涂层破损处,作为阻隔腐蚀介质与金属基体的屏障继续发挥防腐作用[17]

图9   不同涂层的耐盐雾实验结果Fig.9   The salt spray test results of different coatings
2.3.2 POSS/GO/Zn功能材料对涂层疏水性的影响
涂层良好的疏水性有助于最大限度地减少腐蚀介质与涂层表面的接触面积来增强其耐腐蚀性[36]。POSS中含有的规则Si—O—Si框架结构,导致表面非极性增加,水性环氧涂层应具有良好的疏水性能[37-38],室温条件下,将4 μl去离子水滴在制得的复合涂层表面,用接触角测量仪进行测定,测试结果如图10所示。空白WEP涂层的水接触角为48.42°,表明WEP涂层表面具有亲水性;GO/WEP涂层的接触角增大至80.27°,说明GO的添加在涂层中起到一定的阻隔作用;POSS/GO/WEP的水接触角增大至91.46°,达到疏水范围[39-40],表明POSS中的Si—O—Si键发挥作用;对添加POSS/GO/Zn的WEP涂层进行测试,水接触角进一步增大至98.11°,推测为氧化锌的存在进一步提高了涂层的耐水性。

图10   不同填料对涂层的水接触角的影响Fig.10   Effect of different fillers on the water contact angle of the coating

3 结 论

通过APTES自水解缩合制得笼型倍半硅氧烷杂化材料,接枝到GO上并负载锌离子制得复合纳米粒子POSS/GO/Zn功能材料,应用于WEP涂层材料中,得出如下结论。
(1)杂化材料呈笼型结构,在GO上接枝率达98.3%,锌负载量为16.89%。
(2)POSS和氧化锌接枝在GO层间,扩大了其层间距,形成稳定的化学结构,有利于在涂层中发挥其协同作用。
(3)POSS/GO/Zn改性水性环氧涂层在3.5%氯化钠溶液中浸泡40 d后阻抗值达8.33×105 Ω·cm2,水接触角由48.42°增大至98.11°,表明所制得的纳米粒子复合涂层具有优异的防腐和疏水特性。

引用本文: 赵璐璐, 唐二军, 邢旭腾, 刘少杰, 褚晓萌, 呼娜, 张泽. POSS改性氧化石墨烯对涂层防腐和疏水性能的影响[J]. 化工学报, 2024, 75(5): 1977-1986 (ZHAO Lulu, TANG Erjun, XING Xuteng, LIU Shaojie, CHU Xiaomeng, HU Na, ZHANG Ze. Effects of POSS modified graphene oxide in anti-corrosion and hydrophobic properties of coatings[J]. CIESC Journal, 2024, 75(5): 1977-1986)

第一作者:赵璐璐(1999—),女,硕士研究生,luluzhao2023@163.com

通讯作者:唐二军(1969—),男,博士,教授,ejtang@sohu.com;刘少杰(1981—),男,博士,教授, sjliu16@163.com




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