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功能化氧化石墨烯/环氧树脂复合防腐涂层的制备及其性能研究

摘要

金属材料的腐蚀会对其性能产生不利影响，导致工程设备的使用寿命缩短，给人

和环境都带来风险。氧化石墨烯(GO)作为石墨烯的衍生物，具有和石墨烯相似的单分

子层二维网络结构和优异的屏蔽性能。但是GO在涂层中易发生团聚现象并且GO环氧

树脂涂层对金属基材的防护效果单一且防腐时效较短，为解决这些问题本文设计了两

种新型氧化石墨烯基环氧树脂防腐涂层。一种为全氟辛酸(PFOA)掺杂聚苯胺(PANI)改

性氧化石墨烯(PFANI-GO)环氧树脂(EP)复合涂层(PFANI-GO/EP)。制备出的PFANI-GO

复合材料具有超疏水性能，将其作为填料制备的环氧树脂复合涂层具备阻隔、钝化、

缓蚀三重防腐功效。另一种为将FeO和磷酸改性氧化石墨烯(PGO)复合制备出磁性氧

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化石墨烯复合材料(FeO-PGO)。在外加磁场诱导FeO-PGO片层结构定向排列，使复

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合涂层对腐蚀介质的阻隔性能获得巨大提升并增强复合涂层的防腐性能。

采用超声辅助原位聚合将PFOA掺杂的PANI聚合到GO上，所制备的功能化GO

表面呈现疏水性微乳突结构，形成超疏水复合材料，增强对腐蚀性物质的阻隔性能。

此外，PFANI-GO降低了钝化区的金属表面电位并形成钝化层。因此，当腐蚀性物质渗

透涂层并与金属表面接触时，它们与GO表面的PANI形成电流耦合，随后掺杂在PANI

中的PFOA被释放并吸附在金属基材表面，形成疏水性缓蚀层。因此，PFANI-GO/EP

表现出屏蔽/阻隔、缓蚀和钝化三种防腐效果。采用电化学阻抗谱法测量了不同涂层对

Q235钢的阻抗模量。电化学测试结果表明，浸泡15天后，PFANI-GO/EP在0.01Hz时

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表现出最高的阻抗模量，超过1×10Ω⋅cm。因此，与纯环氧树脂涂料(EP)、氧化石墨

烯环氧树脂涂料(GO/EP)和PFOA掺杂PANI环氧树脂涂料(PFANI/EP)相比，PFANI-

GO/EP表现出优异的耐腐蚀性能并具备阻隔、钝化、缓蚀三重防护效果。

将负载四氧化三铁纳米颗粒的氧化石墨烯片引入环氧树脂中，并通过外部磁场将

它们单向取向。FeO-PGO片材的方向垂直于磁场线。所制备的FeO-PGO环氧树脂

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复合涂层具有明显的电性能各向异性：当外加磁场为1.2T且FeO-PGO含量为1.5%

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时，在垂直于FeO-PGO平面的方向上，介电常数增大达到13.5。在3.5wt%NaCl溶液

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中浸泡七天后1.2T外加磁场下的1.5%FeO-PGO环氧树脂复合涂层的低频阻抗模量

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|Z|0.01Hz最大而且变化幅度最小，|Z|0.01Hz值从4.8×10Ω∙cm减小至3.2×10Ω∙cm。这说

明复合涂层的阻隔性能最好并使腐蚀介质的渗透路径变复杂，充分体现对Q235碳钢基

材的防护作用。两种新型氧化石墨烯基环氧树脂防腐涂层均可为金属基材提供优异的

I

哈尔滨工程大学硕士学位论文

防腐性能并延长使用寿命。为开发更高效、多功能的防腐材料提供了新的思路和方法，

并且在有机防腐涂层防护领域和减缓金属腐蚀方面具有广阔的应用前景。

关键词：聚苯胺；氧化石墨烯；取向；防腐蚀涂层