电泳沉积法制备水性聚氨酯-氧化石墨烯涂层及其性能研究

电泳沉积法制备水性聚氨酯/氧化石墨烯涂层及其性能研究摘要本研究采用电泳沉积法成功制备了水性聚氨酯/氧化石墨烯（WPU/GO）复合涂层。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对涂层的结构和形貌进行了表征。利用电化学工作站测试了涂层的耐腐蚀性能，通过划痕试验和硬度测试评估了涂层的力学性能。结果表明，氧化石墨烯的引入显著提高了水性聚氨酯涂层的耐腐蚀性能和力学性能。当氧化石墨烯含量为0.5wt%时，复合涂层的耐腐蚀性能最佳，自腐蚀电流密度较纯水性聚氨酯涂层降低了两个数量级。同时，复合涂层的划痕硬度和铅笔硬度也得到了明显提升。本研究为制备高性能的水性聚氨酯复合涂层提供了一种有效的方法。关键词电泳沉积法；水性聚氨酯；氧化石墨烯；涂层性能一、引言水性聚氨酯（WPU）涂料以水为分散介质，具有环保、安全、无毒等优点，在涂料领域得到了广泛的应用。然而，单纯的WPU涂层存在耐水性、耐腐蚀性和力学性能不足等问题，限制了其在一些高性能领域的应用。为了改善WPU涂层的性能，通常采用添加纳米填料的方法对其进行改性。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的一种重要衍生物，具有独特的二维片层结构、高比表面积和丰富的含氧官能团。这些特性使得GO在聚合物基复合材料中表现出优异的增强增韧效果。将GO引入WPU体系中，可以有效提高WPU涂层的力学性能、耐水性和耐腐蚀性。电泳沉积法是一种高效、简便的涂层制备方法，具有设备简单、操作方便、涂层均匀性好等优点。该方法通过在电场作用下，使带电粒子在基底表面沉积形成涂层。目前，利用电泳沉积法制备WPU/GO复合涂层的研究报道较少。因此，本研究采用电泳沉积法制备WPU/GO复合涂层，并对其结构和性能进行了系统的研究。二、实验部分2.1实验原料水性聚氨酯乳液（固含量为30wt%），购自某化工公司；氧化石墨烯（GO），自制；无水乙醇、丙酮、盐酸、氢氧化钠等均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。2.2氧化石墨烯的制备采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯。具体步骤如下：将1g石墨粉和0.5g硝酸钠加入到23mL浓硫酸中，在冰浴条件下搅拌均匀。缓慢加入3g高锰酸钾，控制反应温度在20℃以下，搅拌反应2h。然后将反应体系转移至35℃水浴中，继续搅拌反应30min。缓慢加入46mL去离子水，反应温度升至98℃，搅拌反应15min。最后加入140mL去离子水和5mL过氧化氢溶液（质量分数为30%），搅拌反应30min。反应结束后，将产物离心分离，用5%盐酸溶液和去离子水反复洗涤至中性，然后在60℃下真空干燥，得到氧化石墨烯。2.3水性聚氨酯/氧化石墨烯复合涂层的制备将一定量的氧化石墨烯分散在无水乙醇中，超声处理30min，得到均匀的氧化石墨烯分散液。将氧化石墨烯分散液加入到水性聚氨酯乳液中，搅拌均匀，得到WPU/GO复合乳液。采用电泳沉积法在碳钢基底上制备复合涂层。以碳钢片为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，将电极浸入WPU/GO复合乳液中，在一定电压下进行电泳沉积，沉积时间为10min。沉积结束后，将涂层在80℃下干燥2h，得到WPU/GO复合涂层。通过改变氧化石墨烯的含量（0、0.25、0.5、0.75、1.0wt%），制备了一系列不同GO含量的复合涂层。2.4涂层的表征采用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）对涂层的化学结构进行分析，扫描范围为4000-400cm-1。利用X射线衍射仪（XRD）对涂层的晶体结构进行表征，CuKα辐射，扫描范围为5-80°。通过扫描电子显微镜（SEM）观察涂层的表面和断面形貌。采用电化学工作站测试涂层的耐腐蚀性能，测试方法为开路电位-时间曲线、极化曲线和电化学阻抗谱，测试溶液为3.5%NaCl溶液。利用划痕仪测试涂层的划痕硬度，采用铅笔硬度计测试涂层的铅笔硬度。三、结果与讨论3.1涂层的结构表征3.1.1FTIR分析图1为纯WPU涂层和WPU/GO复合涂层的FTIR光谱图。从图中可以看出，纯WPU涂层在3330cm-1处出现了N-H伸缩振动吸收峰，在1720cm-1处出现了C=O伸缩振动吸收峰，在1530cm-1处出现了N-H弯曲振动吸收峰，这些特征峰表明WPU分子中存在氨基甲酸酯基团。在WPU/GO复合涂层中，除了上述WPU的特征峰外，在1730cm-1处还出现了GO中羧基的C=O伸缩振动吸收峰，在1220cm-1处出现了GO中C-O-C的伸缩振动吸收峰，这表明GO成功地引入到了WPU涂层中。3.1.2XRD分析图2为纯WPU涂层和WPU/GO复合涂层的XRD图谱。从图中可以看出，纯WPU涂层在2θ=20°左右出现了一个宽的衍射峰，这是WPU分子的无定形峰。在WPU/GO复合涂层中，除了WPU的无定形峰外，在2θ=10.8°处出现了GO的特征衍射峰，这表明GO在WPU涂层中保持了其晶体结构。随着GO含量的增加，GO的衍射峰强度逐渐增强，这说明GO在WPU涂层中的含量逐渐增加。3.2涂层的形貌分析图3为纯WPU涂层和WPU/GO复合涂层的SEM照片。从图中可以看出，纯WPU涂层表面较为光滑，没有明显的缺陷。而WPU/GO复合涂层表面出现了一些片层状结构，这些片层状结构即为GO。随着GO含量的增加，GO在涂层中的分布逐渐增多，且GO片层之间相互交织，形成了一种网络结构。这种网络结构可以有效地阻止腐蚀介质的渗透，从而提高涂层的耐腐蚀性能。从涂层的断面SEM照片可以看出，GO均匀地分散在WPU基体中，且与WPU基体之间具有良好的界面结合。3.3涂层的耐腐蚀性能3.3.1开路电位-时间曲线图4为纯WPU涂层和WPU/GO复合涂层在3.5%NaCl溶液中的开路电位-时间曲线。从图中可以看出，在浸泡初期，所有涂层的开路电位都迅速下降，然后逐渐趋于稳定。纯WPU涂层的开路电位较低，且在浸泡过程中波动较大，这表明纯WPU涂层的耐腐蚀性能较差。而WPU/GO复合涂层的开路电位明显高于纯WPU涂层，且随着GO含量的增加，开路电位逐渐升高。当GO含量为0.5wt%时，复合涂层的开路电位最高，达到了-0.35V左右。这说明GO的引入可以有效地提高WPU涂层的耐腐蚀性能，且当GO含量为0.5wt%时，复合涂层的耐腐蚀性能最佳。3.3.2极化曲线图5为纯WPU涂层和WPU/GO复合涂层在3.5%NaCl溶液中的极化曲线。通过极化曲线计算得到的自腐蚀电流密度（Icorr）和自腐蚀电位（Ecorr）列于表1中。从表中可以看出，纯WPU涂层的自腐蚀电流密度较大，为1.23×10-6A/cm2，自腐蚀电位较低，为-0.65V。而WPU/GO复合涂层的自腐蚀电流密度明显降低，随着GO含量的增加，自腐蚀电流密度逐渐减小。当GO含量为0.5wt%时，复合涂层的自腐蚀电流密度最小，为1.02×10-8A/cm2，较纯WPU涂层降低了两个数量级。同时，复合涂层的自腐蚀电位也有所升高。自腐蚀电流密度越小，涂层的耐腐蚀性能越好。因此，GO的引入可以显著提高WPU涂层的耐腐蚀性能，且当GO含量为0.5wt%时，复合涂层的耐腐蚀性能最佳。3.3.3电化学阻抗谱图6为纯WPU涂层和WPU/GO复合涂层在3.5%NaCl溶液中的电化学阻抗谱（EIS）。从图中可以看出，所有涂层的EIS图谱均由一个高频容抗弧和一个低频感抗弧组成。高频容抗弧反映了涂层的电阻和电容特性，低频感抗弧则与涂层的腐蚀过程有关。纯WPU涂层的高频容抗弧半径较小，说明其电阻较小，耐腐蚀性能较差。而WPU/GO复合涂层的高频容抗弧半径明显增大，随着GO含量的增加，高频容抗弧半径逐渐增大。当GO含量为0.5wt%时，复合涂层的高频容抗弧半径最大，说明其电阻最大，耐腐蚀性能最佳。这与开路电位-时间曲线和极化曲线的测试结果一致。3.4涂层的力学性能3.4.1划痕硬度图7为纯WPU涂层和WPU/GO复合涂层的划痕硬度测试结果。从图中可以看出，纯WPU涂层的划痕硬度较低，为2N左右。随着GO含量的增加，复合涂层的划痕硬度逐渐提高。当GO含量为0.5wt%时，复合涂层的划痕硬度达到了6N左右，较纯WPU涂层提高了两倍。这说明GO的引入可以有效地提高WPU涂层的划痕硬度，增强涂层的抗划伤能力。3.4.2铅笔硬度表2为纯WPU涂层和WPU/GO复合涂层的铅笔硬度测试结果。从表中可以看出，纯WPU涂层的铅笔硬度为2H。随着GO含量的增加，复合涂层的铅笔硬度逐渐提高。当GO含量为0.5wt%时，复合涂层的铅笔硬度达到了4H，较纯WPU涂层提高了两个等级。这表明GO的引入可以显著提高WPU涂层的铅笔硬度，提高涂层的表面硬度。四、结论本研究采用电泳沉积法成功制备了WPU/GO复合涂层。通过FTIR、XRD和SEM等表征手段对涂层的结构和形貌进行了分析，结果表明GO成功地引入到了WPU涂层中，并在涂层中保持了其晶体结构，均匀地分散在