高耐磨耐腐蚀石墨烯涂层的制备方法及其应用与流程

本发明涉及石墨烯涂层技术领域，特别是涉及一种高耐磨耐腐蚀石墨烯涂层的制备方法及其应用。

背景技术

金属腐蚀给人类带来了巨大的经济损失和社会危害，随着工业和科技的发展，金属防腐的重要性日益凸显，其中涂层技术最为方便和经济，因此在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。防腐涂层往往采用溶剂型涂料，含有大量的挥发性有机物，而且有相当一部分涂层含有铅、铬等重金属，给环境带来严重的污染并危害人类的健康。

石墨烯具有二维晶格结构，可看成被剥离的、仅有一个原子层厚度的石墨片层。特别是，石墨烯非常致密，气体及水分子难以渗透，且具有高化学稳定性和热稳定性，同时石墨烯还具有特殊的低维层状结构、超高的力学强度、极低的摩擦系数、低的切变强度和表面粘附性，使得石墨在防腐减摩领域受到人们的青睐。而传统的石墨烯涂层是将石墨烯作为填料加入到高分子结合剂中，制备得到的含石墨烯的涂料。但由于石墨烯在溶液中的分散性非常差，很容易团聚，形成的石墨烯涂层不均匀，尤其是基体与石墨烯之间没有结合力，不能有效的发挥石墨烯的作用。

技术实现要素：

基于此，有必要针对当前由于石墨烯涂层不均匀、与基体之间结合力差所导致的金属耐腐蚀性和耐磨性提高不显著等问题，提供一种高耐磨耐腐蚀石墨烯涂层的制备方法及其应用。

一种高耐磨耐腐蚀石墨烯涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯在环境气氛及催化剂的协同作用下，去除氧化石墨烯表面的含氧官能团，得到还原石墨烯；

(2)将还原石墨烯通过机械化学的作用，在金属摩擦副基体上制备石墨烯涂层。

上述高耐磨耐腐蚀石墨烯涂层的制备方法，将制备得到的还原石墨烯通过机械化学的作用与所保护的金属发生化学键合，进而在基体上形成一层结合牢固、均匀完整的石墨烯涂层，不仅能够有效的隔离腐蚀介质与基体的接触，具有优异的耐腐蚀性能，而且可以有效的降低金属表面的摩擦系数。本发明制备方法简单、易于工业化生产，具有广泛的应用价值。

在其中一个实施例中，所述环境气氛为空气环境、真空环境、和惰性气体环境中的任意一种。

在其中一个实施例中，所述催化剂为尿素、肼、氨气、和乙醇中的任意一种。

在其中一个实施例中，所述机械化学作用所涉及的机械力是由高能球磨提供的冲击力、剪切力、和摩擦力，或是由多功能摩擦磨损试验机提供的压力和摩擦力。

在其中一个实施例中，所述高能球磨的球磨转速为420～700r/min，球料比为200～2800:1，球磨时间为5～25h。

在其中一个实施例中，所述金属为钛金属、钛合金、过渡族金属、和不锈钢中的任意一种。

本发明还涉及根据前述制备方法得到的高耐磨耐腐蚀石墨烯涂层在提高金属防腐蚀性及耐磨性方面的应用。

上述的高耐磨耐腐蚀石墨烯涂层的应用，能够提高金属的防腐蚀性能及耐磨性能，具有较高的经济价值和社会价值。

附图说明

图1为本发明实施例1的原始不锈钢球实物图；

图2为本发明实施例1获得的带有石墨烯涂层的不锈钢球实物图；

图3为本发明实施例1获得的带有石墨烯涂层的不锈钢球在3.5wt％的nacl溶液中浸泡1h后的极化曲线图；

图4为本发明实施例1利用mft-5000rtec型摩擦磨损试验机测的不同含量的石墨烯涂层的摩擦系数分布图；

图5为本发明实施例2获得的带有石墨烯涂层的低碳钢球在3.5wt％的nacl溶液中浸泡1h后的极化曲线图；

图6为本发明实施例2获得的带有石墨烯涂层的低碳钢球在3.5wt％的nacl溶液中浸泡1h后的交流阻抗分布图；

图7为本发明实施例3获得的带有石墨烯涂层的低碳钢球在3.5wt％的nacl溶液中浸泡1h后的极化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的制备方法如下：

(1)制备还原石墨烯

将氧化石墨烯在环境气氛及催化剂的协同作用下，去除氧化石墨烯表面的含氧官能团，得到还原石墨烯。所述环境气氛为空气环境、真空环境、和惰性气体环境中的任意一种。所述催化剂为尿素、肼、氨气、和乙醇中的任意一种。此外，也可从市场上购买还原石墨烯商品以代替通过上述方法自制的还原石墨烯。

(2)制备石墨烯涂层

将还原石墨烯通过机械化学的作用，在金属摩擦副基体上制得石墨烯涂层。所述金属为钛金属、钛合金、过渡族金属、和不锈钢中的任意一种。机械化学作用所涉及的机械力是由高能球磨提供的冲击力、剪切力、和摩擦力。球磨转速为420～700r/min，球料比为200～2800:1，球磨时间为5～25h。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的高耐磨耐腐蚀石墨烯涂层与基体结合牢固，涂层均匀完整，不仅能够有效的隔离腐蚀介质与基体的接触，具有优异的耐腐蚀性能，而且可以有效的降低金属表面的摩擦系数；

2、设备简易，加工工艺简单，节约能源，生产环境较好，具有广泛的应用价值。

实施例1

分别取不锈钢研磨球200g、300g、400g和500g，还原石墨烯100mg。倒入研磨罐中，经过500r/min，24h球磨获得带有石墨烯涂层的不锈钢球。原始不锈钢球如图1所示，带有石墨烯涂层的不锈钢球如图2所示。

将带有石墨烯涂层的不锈钢球在3.5wt％的nacl溶液中浸泡1h，测其极化曲线，测试结果如图3所示。从图3中可知，带有石墨烯涂层的不锈钢球腐蚀电流密度降低，腐蚀电位高于不带涂层的不锈钢球电位，说明了石墨烯涂层提高了钢基体的防腐性能。

利用mft-5000rtec型摩擦磨损试验机测定不同含量的石墨烯涂层的摩擦系数，测试结果如图4所示。从图4中可知，与原始不锈钢球相比，石墨烯涂层可使钢球摩擦系数大幅度降低。

实施例2

取镀cr低碳钢研磨球800g，还原石墨烯100mg。倒入研磨罐中，经过600r/min，25h球磨获得带有石墨烯涂层的低碳钢球。

将带有石墨烯涂层的低碳钢球在3.5wt％的nacl溶液中浸泡1h，分别测其极化曲线和交流阻抗，测试结果如图5和图6所示。从图5中可知，带有石墨烯涂层的低碳钢球腐蚀电流密度降低。从图6中可知，通过浸泡，有石墨烯涂层的低碳钢的交流阻抗比原始低碳钢要大。均说明了石墨烯涂层提高了钢基体的防腐性能。

实施例3

取镀ti低碳钢研磨球700g，还原石墨烯100mg。倒入研磨罐中，经过700r/min，20h球磨获得带有石墨烯涂层的低碳钢球。

将带有石墨烯涂层的低碳钢球在3.5wt％的nacl溶液中浸泡1h，测其极化曲线，测试结果如图7所示。从图7中可知，带有石墨烯涂层的低碳钢球腐蚀电流密度降低，说明了石墨烯涂层提高了钢基体的防腐性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。