[发明专利]一种防腐用的石墨烯/导电聚吡咯复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种防腐用的石墨烯/导电聚吡咯复合薄膜的制备方法，具体涉及蒸气相的吡咯单体与氧化石墨烯溶液在气液界面发生氧化还原反应合成可用于金属防腐蚀领域的石墨烯/导电聚吡咯复合薄膜。

背景技术

近些年，金属腐蚀逐渐成为全球各国重视的经济问题。金属腐蚀是由于金属与周围环境发生化学反应而使材料的性能变差，在各种环境中都会发生，包括雾气、海水、酸性或碱性土壤中，而且金属腐蚀会导致很大的损失。但是，如果采用合理的防腐方法，每年将节省25%-30%由腐蚀造成的损失。因此，寻找有效的技术手段来实现金属防腐成为世界各国研究者共同关注的目标。

众多传统技术手段中，使用防腐涂料是一种有效且经济的方法。这种方法通常是用无机或高分子涂料将金属表面与腐蚀环境分隔开，以避免金属的腐蚀，其中，导电高分子由于具有优良的防腐性能而成为研究的热门之一。因为导电高分子膜层不但结合了导电性、环境稳定性及可逆的氧化还原特性等物理化学性能，而且能使金属表面活性钝化而防腐；导电高分子膜不但对腐蚀介质物理隔离，而且能有效地把金属腐蚀限制在膜基界面上，并改变金属的腐蚀电位，所以具有重要的应用。

在众多的导电高分子中，聚吡咯以其单体无毒、易合成、导电率高、稳定性好并且即使分解后也不会象聚苯胺那样可能产生致癌物质等优点，成为导电高分子在腐蚀防护领域中研究的重点之一。目前，制备导电高分子聚吡咯防腐层的方法主要有化学氧化法和电化学氧化法两种，其中化学氧化法是使聚吡咯的单体在氧化剂存在的介质中发生聚合。经常用到的氧化剂有高锰酸钾、过硫酸铵、双氧水、铁盐(氯化铁、硫酸铁)等，介质有水、醇、醚、氯仿等。与电化学聚合方法相比较，化学氧化法合成工艺简单，对生产设备要求较低，所以成本低，适于大量生产。但同时，化学氧化法容易使氧化剂分解产物残留在聚合物中，影响聚吡咯的电导率及微观形貌，从而对聚吡咯的防腐性能造成影响。

石墨烯这一新兴材料的问世，使金属防腐问题的解决有了新的进展。石墨烯是一种由碳原子组成新型单层片状结构的二维材料，它拥有许多独特的性能，如高透明度、高导电性以及优良的抗渗性。在防腐领域中，石墨烯可以作为一种超薄的物理阻隔层，防止金属与周围环境的直接接触，所以，石墨烯也是一种理想的防腐材料。

氧化石墨烯作为石墨烯的一种衍生材料，其结构层中含有一定量不同种类的含氧官能团，具有一定的氧化性，因此，氧化石墨烯也可用作化学氧化法合成聚吡咯时的氧化剂，氧化石墨烯与吡咯单体间能够发生氧化还原反应，形成石墨烯/聚吡咯复合材料。但目前为止，合成石墨烯/聚吡咯复合材料的方法大多是采用液相反应，这种方法制备的产物多为粉末状而且生成的聚吡咯具有颗粒尺寸较大、易团聚等缺点，这就限制了聚吡咯的使用性能。

发明内容

针对上述导电聚吡咯和石墨烯在防腐领域的优点，以及液相法制备石墨烯/聚吡咯复合材料的不足。本发明从气液相氧化还原反应的角度出发，利用吡咯单体的挥发性特点，让蒸气相的吡咯单体与氧化石墨烯溶液相接触，从而在两相界面上发生氧化还原反应，使吡咯单体氧化聚合成聚吡咯，同时将氧化石墨烯还原为石墨烯，最终在气液界面生成石墨烯/导电聚吡咯复合薄膜。

本发明的技术解决方案如下：

(1)量取一定量的氧化石墨烯溶液（浓度介于1mg/mL~5mg/mL)，超声使其分散均匀，然后将之置于一敞口容器内；再取一定量的吡咯单体倒入另一敞口容器中；将以上两个容器共同置于一密闭罩内；

(2)在密闭罩内吡咯单体挥发，形成的蒸汽相单体与氧化石墨烯溶液相接触，在两相界面上发生氧化还原反应；一直反应至原先的氧化石墨烯溶液表面生成一层黑色薄膜，该黑色薄膜即为石墨烯/导电聚吡咯复合薄膜。

本发明制备出的这种复合薄膜结合了导电聚吡咯与石墨烯的防腐性能，可以用于金属防腐蚀领域；以氧化石墨烯作为氧化剂克服了因聚合时残留氧化剂分解产物等杂质而影响聚吡咯防腐性能的缺点，因为生成的石墨烯反而会增强其防腐性能；采用气液相氧化还原反应生成的聚吡咯颗粒尺寸较小、不易团聚，具有小尺寸效应，大大提高了防腐性能。本发明制备方法简单，易于实现，而且可采用不同浓度的氧化石墨烯溶液，可应用的范围较广，且成本较低。

附图说明

图1 制备石墨烯/导电聚吡咯复合薄膜的装置图

图2 反应前的氧化石墨烯溶液的数码照片

图3 发生反应的氧化石墨烯溶液的数码照片

图4 制备的石墨烯/导电聚吡咯复合薄膜的数码照片

具体实施方法