[发明专利]一种石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料及其制备方法。采用化学修饰技术，在石墨烯表面修饰活性基团得到改性石墨烯，将其与硅烷化合物、分散介质、非必须共聚单体和非必须促进剂混合，以水解缩合或水解缩合‑自由基聚合方式，原位生成石墨烯/聚硅氧烷复合树脂。将该树脂与非必须共混树脂、非必须固化剂、非必须溶剂、非必须颜填料和非必须助剂混合，经物理共混、氨基环氧加成反应、麦克尔加成反应等固化成膜，获得石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料。均匀分散的石墨烯片层与聚硅氧烷有强的界面作用，兼具气液阻隔、热量屏蔽作用，赋予涂层防腐蚀、阻燃等优异性能，极大提升涂层的机械性能、耐腐蚀性、耐划伤性和耐磨性等。

技术领域

本发明涉及化工及光电领域，具体涉及一种石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料及其制备方法。因为石墨烯的加入与原位复合，石墨烯/聚硅氧烷复合涂层展现出优异的耐磨性、耐划伤性、耐候性、阻燃性、抗静电性、防腐蚀性，可以广泛应用在各种金属、塑料、木材、混凝土、玻璃以及它们的混合基材的表面，以起到增强防护的作用。

背景技术

有机聚硅氧烷涂层是由硅烷化合物前驱体通过一定条件下的水解聚合反应形成的、以Si-O-Si无机网络结构为骨架的一种有机-无机杂化涂层材料。既含有丰富的硅羟基，可与金属表面羟基发生缩合反应形成共价键；又带有与Si相连的有机基团，与面漆具有很好的相容性；同时由于Si-O键的高键能及长键长特点，其机械强度高，耐热耐候性远优于其他材料，已经逐渐应用在海上装置、石化设备、工业防护、及桥梁、机场、体育场馆等场所。但该类涂层材料仍然存在需要高温固化条件、固化时内应力过大导致涂层开裂等问题。调节前驱体配方，以及加入纳米填料是解决以上问题，增强涂层性能的两种办法。涂层内均匀分散的纳米填料可以传递内应力，阻止涂层开裂，起到增强涂层性能的作用。常用的增强填料包括SiO₂, TiO₂, ZrO₂和AlOOH，它们通常能够有效提升涂层的耐磨损性能以及综合力学性能。

例如，美国的Sherwood等人研制出硬质聚硅氧烷涂层（US 20140242272 A1），以聚硅氧烷为树脂基材，加入水性硅溶胶和正硅酸乙酯制备高硬度耐划伤涂层，微硬度可达1.5Gp。励征等使用碳化硅微粒、氨基树脂、表面活性剂、消泡剂，通过一定的共聚接枝合成方法和工艺过程，配置成耐磨共聚树脂和涂料复配基料（CN 102229693A）。使用该基料配制得到的涂层，表现出了优异的耐磨损、耐划伤性能。Bohannon等人使用Al₂O₃、黏土、滑石粉等颜填料和苯丙乳液为主要成分制备光固化耐划伤树脂（US 2012/0041092 A1），颜填料加入量为0.1%~40%。朱厚信等通过添加偏硼酸钡、金刚石粉制备了耐刮伤的防水涂料（CN104277695A），其具有制备方便、增加漆膜使用寿命的优点。李锦宇等提出了一种聚酰胺耐磨涂料的制备方法（CN 105131826 A）。首先对纳米SiO₂进行表面改性处理，然后与聚酰胺进行复配得到耐磨涂料，应用于聚碳酸酯板材上可显著提高其耐磨性能。但是上述涂层材料存在填料用量大，涂层柔韧性等力学性能降低的问题。

不同于SiO₂等常规零维纳米增强填料，二维层状纳米填料因其独特的平面结构、更大的比表面积，可期望进一步增强聚合物的性能。在该种聚合物纳米复合材料中，二维层状纳米填料如石墨、二硫化钼等在材料的磨损过程中起到支撑负载的作用，可以有效传递应力，从而达到降低摩擦系数、减少磨损量的作用。同时，二维层状纳米调料如蒙脱土、ZrP等在聚合物基体中呈紧密的层状堆积，具有优异的气、液阻隔作用，从而避免海水等腐蚀介质与基材表面发生化学反应，显著提升涂层的防腐蚀性能。在燃烧过过程中，二维层状纳米填料可以隔绝热量，增强材料的热稳定性，同时促进并支撑无机碳层的产生，以达到协同阻燃的效果。石墨烯作为一种新型的二维纳米填料，有极大潜力应用在传统聚硅氧烷涂料中，增强其使用性能，以满足海洋重防腐、航空航天等领域的使用需求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种石墨烯/聚硅氧烷复合涂层材料及其制备方法。