一种改性石墨烯及其制备方法和应用与流程

本发明涉及材料领域，更具体地，涉及一种改性石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术：

环氧树脂具有比其它树脂更好的力学、电绝缘等性能，是防腐涂料的三大成膜物质之一，因此在防腐涂料中的作用至关重要，然而，在环氧带锈防腐涂料中，有机酸和无机酸与环氧树脂体系的相容性较低，制约了有机酸和无机酸在环氧带锈防腐涂料中的应用。

目前，通常利用分子筛吸附酸性物质，之后应用到环氧树脂体系中，使酸性物质与环氧树脂体系具有较好的相容性，但是该方法利用的分析筛对酸性物质的吸附有限，无法达到要求。因此，提高有机酸和无机酸在环氧树脂体系中的相容性是亟待解决的一个问题。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明采用二维结构的单层石墨烯和寡层石墨烯，该石墨烯具有比表面积大、吸附力强的优点，通过利用石墨烯吸附酸性物质，再用硅烷偶联剂进行包覆，使得吸附有酸的石墨烯可以与环氧树脂体系很好地相容，无凝胶现象产生，大大提高了有机酸和无机酸与环氧树脂体系的相容性，进而提高了制备的涂料与基材的结合力。

本发明提供了一种制备改性石墨烯的方法，所述方法包括以下步骤：

在第一去离子水中加入分散剂和石墨烯，得到石墨烯分散液；在第二去离子水中加入酸，得到酸溶液；以及将所述酸溶液加入到所述石墨烯分散液中，搅拌，加入偶联剂，干燥，得到所述改性石墨烯，其中，所述改性石墨烯由所述偶联剂包覆并且吸附有酸。

在上述方法中，所述分散剂包括byk-190(德国毕克)、byk-118(德国毕克)和byk-2155(德国毕克)中的一种或多种。

在上述方法中，所述石墨烯包括单层石墨烯和寡层石墨烯的一种或两种。

在上述方法中，所述酸包括无机酸或有机酸。

在上述方法中，所述无机酸包括磷酸和多聚磷酸的一种或两种，所述有机酸包括植酸、单宁酸和没食子酸的一种或多种。

在上述方法中，所述偶联剂包括硅烷偶联剂。

在上述方法中，所述硅烷偶联剂包括kh550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、a-1120(γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷)和a-1130(三氨基硅烷)中的一种或多种。

在上述方法中，所述第一去离子水、所述分散剂与所述石墨烯的质量比为：20～50:0.2～0.7:5～15。

在上述方法中，所述第二去离子水与所述酸的质量比为20～30:5～15。

在上述方法中，所述石墨烯与所述偶联剂的质量比为5～15:1～3。

在上述方法中，所述搅拌的转速为700～900rpm，所述搅拌的时间为20～30min。

本发明还提供了一种根据上述方法制备的改性石墨烯。

本发明还提供了根据上述方法制备的改性石墨烯在环氧树脂体系中的应用。

本发明通过在石墨烯分散液中加入酸溶液，通过控制石墨烯和酸性物质的配比以及搅拌的速度和时间，采用700～900rpm的快速搅拌并且将搅拌时间控制在20～30min，使石墨烯将酸性物质有效地吸附，并且通过控制石墨烯和硅烷偶联剂配比，使用硅烷偶联剂对吸附有酸的石墨烯进行包覆，使得石墨烯可以较好地絮凝，进而提高了酸性物质与环氧树脂体系的相容性，使得该改性石墨烯与环氧树脂体系混合之后不会出现凝胶，并且提高了制备的涂料与基材的结合力。

附图说明

图1是改性石墨烯的制备流程示意图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明通过对单层石墨烯和寡层石墨烯进行改性，使得该石墨烯吸附酸，并且之后由硅烷偶联剂包覆，进而提高无机酸和/或有机酸在环氧树脂体系中的相容性，从而提高由改性石墨烯与环氧树脂体系制备的涂料与基材的结合力，按重量份计，包括如下步骤：

在20～50份第一去离子水中加入0.2～0.7份分散剂和5～15份石墨烯，400～600rpm搅拌1.5～2.5h，得到石墨烯分散液；其中，分散剂包括byk-190、byk-118和byk-2155的一种或多种；石墨烯包括单层石墨烯或寡层石墨烯；

在20～30份第二去离子水中加入5～15份酸，400～600rpm搅拌1～2h，得到酸溶液；其中，该酸包括无机酸或有机酸，无机酸包括磷酸和多聚磷酸的一种或两种，有机酸包括植酸、单宁酸和没食子酸的一种或多种；

将酸溶液加入到石墨烯分散液中，700～900rpm快速搅拌20～30min，加入1～3份硅烷偶联剂，0℃以下冷冻干燥5～8h，得到由偶联剂包覆并且吸附有酸的改性石墨烯；其中，硅烷偶联剂包括kh550、a-1120和a-1130的一种或多种。

实施例1

在30份第一去离子水中加入0.5份分散剂byk-190和10份单层石墨烯，400rpm搅拌2h，得到单层石墨烯分散液；

在20份第二去离子水中加入10份磷酸，400rpm搅拌1h，得到磷酸溶液；

将磷酸溶液加入到单层石墨烯分散液中，700rpm快速搅拌20min，加入2份硅烷偶联剂kh550，0℃以下冷冻干燥5h，得到由偶联剂包覆并且吸附有酸的改性石墨烯。

实施例2

在50份第一去离子水中加入0.7份分散剂byk-118和15份寡层石墨烯，600rpm搅拌2.5h，得到寡层石墨烯分散液；

在30份第二去离子水中加入12份没食子酸，600rpm搅拌2h，得到没食子酸溶液；

将没食子酸溶液加入到寡层石墨烯分散液中，900rpm快速搅拌30min，加入3份硅烷偶联剂a-1120，0℃以下冷冻干燥8h，得到由偶联剂包覆并且吸附有酸的改性石墨烯。

实施例3

在20份第一去离子水中加入0.2份分散剂byk-2155和13份单层石墨烯，500rpm搅拌1.5h，得到单层石墨烯分散液；

在25份第二去离子水中加入15份多聚磷酸，400rpm搅拌1.5h，得到多聚磷酸溶液；

将多聚磷酸溶液加入到单层石墨烯分散液中，800rpm快速搅拌25min，加入1份硅烷偶联剂a-1130，0℃以下冷冻干燥8h，得到由偶联剂包覆并且吸附有酸的改性石墨烯。

实施例4

在40份第一去离子水中加入0.6份分散剂byk-190和5份寡层石墨烯，400rpm搅拌2h，得到寡层石墨烯分散液；

在25份第二去离子水中加入5份植酸，450rpm搅拌1h，得到植酸溶液；

将植酸溶液加入到寡层石墨烯分散液中，700rpm快速搅拌25min，加入3份硅烷偶联剂kh550，0℃以下冷冻干燥7h，得到由偶联剂包覆并且吸附有酸的改性石墨烯。

实施例5

在30份第一去离子水中加入0.5份分散剂byk-190、5份单层石墨烯和5份寡层石墨烯，500rpm搅拌2h，得到石墨烯分散液；

在25份第二去离子水中加入5份磷酸和5份没食子酸，500rpm搅拌1.5h，得到酸溶液；

将酸溶液加入到石墨烯分散液中，700rpm快速搅拌20min，加入2份硅烷偶联剂kh550，0℃以下冷冻干燥5h，得到由偶联剂包覆并且吸附有酸的改性石墨烯。

实施例6

在30份第一去离子水中加入0.5份分散剂(byk-190、byk-118)和10份单层石墨烯，400rpm搅拌2h，得到单层石墨烯分散液；

在20份第二去离子水中加入10份单宁酸，400rpm搅拌1h，得到单宁酸溶液；

将单宁酸溶液加入到单层石墨烯分散液中，900rpm快速搅拌25min，加入2份硅烷偶联剂a-1130，0℃以下冷冻干燥6h，得到由偶联剂包覆并且吸附有酸的改性石墨烯。

以上份数均为重量份。

将实施例1至实施例6中的由偶联剂包覆并且吸附有酸的改性石墨烯加入到环氧树脂(环氧树脂的加入量能够溶解改性石墨烯即可)中，400～600rpm搅拌1～2h，观察体系相容性；该环氧树脂包括双酚a型环氧树脂(如e51、e44、e42、e35和e20)和/或双酚f型环氧树脂(如f51、f46和f44)，均购自无锡市长干化工有限公司；并且采用本领域的方法测定由改性石墨烯和环氧树脂制备的涂料的附着力，测定结果见下表1：

表1

由表1可见，通过本发明的方法制备的改性石墨烯，由于通过控制石墨烯和酸性物质的配比以及搅拌的速度和时间，使石墨烯将酸性物质有效地吸附，并且进一步通过硅烷偶联剂对石墨烯进行包覆，使得制备成的吸附有酸的改性石墨烯可以较好地絮凝，有效提高了酸性物质与环氧树脂体系的相容性，使得改性石墨烯与环氧树脂体系混合之后不会出现凝胶，此外，由于提高了酸性物质与环氧树脂体系的相容性，使得酸性物质可以较好地在环氧树脂体系中均匀分散，因此进一步提高了由改性石墨烯和环氧树脂体系制备的涂料与基材的结合力。

综上，根据本发明的方法制备的改性石墨烯可以应用于环氧带锈防腐涂料中，能够很好地解决酸性物质与环氧树脂体系的相容性问题。

本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。