摘要
金属的摩擦磨损和腐蚀在诸多领域造成了巨大的经济损失和能源消耗。众多防护策略中，在金属表面涂覆有机复合涂层是一种高效简便且低成本的方法。氟碳树脂（FEVE）以牢固的C-F键为骨架，具有优异的耐化学药品性、低摩擦性和超长耐候性，常常被用作防腐涂层，在各种高级卷材、输送管线及精密器械等的涂装及衬里方面应用广泛。然而，FEVE固化过程中由于溶剂挥发产生的气孔和缝隙不能满足对涂层性能日益增长的要求。可以通过引入填料提升FEVE涂层的性能。石墨烯具有优异的力学性能、低层间剪切性和高阻隔性，是一种优异的增强填料。然而，要充分发挥石墨烯增强氟碳复合涂层的耐磨防腐性能，需要克服由于石墨烯内在的范德华力和FEVE反应性较低导致的石墨烯在FEVE中容易团聚和相容性较差的难题。 本文为改善石墨烯在FEVE中的分散性以及界面相容性，在课题组已有的以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为桥接剂使聚苯乙烯（PS）负载在还原氧化石墨烯（rGO）表面的石墨烯粉体（PS-PVP@rGO）制备工艺基础上，进行PS-PVP@rGO及其氟碳复合涂料制备工艺的优化，并向PS-PVP@rGO粉体中引入含氮基团以进一步改善rGO与FEVE基体的界面相互作用，进而提升石墨烯/氟碳复合涂层的减摩耐磨损防腐蚀性能。具体内容和主要结果如下： （1）采用乳液聚合法制备得到PS-PVP@rGO粉体并将其填充至FEVE中，得到PS-PVP@rGO/FEVE复合涂层。通过对粉体制备工艺的优化，得到高PS负载量的PS-PVP@rGO粉体，并对其物理和化学性质以及在涂料溶剂二甲苯中的再分散稳定性进行了表征；通过对氟碳涂料制备过程中研磨时间的优化，得到高性能PS-PVP@rGO/氟碳复合涂层；通过对PS-PVP@rGO/FEVE复合涂层的力学性能、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能的系统研究，得出PS-PVP@rGO的最优掺入量。研究结果表明：当反应体系pH值稳定在9时，PS聚合反应充分发生且在石墨烯表面负载效果最好，得到的PS-PVP@rGO粉体可在二甲苯中均匀分散且在160h内保持优异分散稳定性；研磨3.5h后得到的石墨烯/FEVE复合涂料细度达到使用标准，制备的最优掺入量为0.75wt%的PS-PVP@rGO/氟碳复合涂层，平均摩擦系数和磨损率与FEVE涂层相比分别降低26.9%和45%，阻抗值和低频阻抗模量分别是FEVE涂层的18倍和20倍。 （2）采用原位接枝法使聚醚胺（D400）改性氧化石墨烯得到氨基化石墨烯，然后在其表面负载PS，得到PS-PVP@NH2-rGO，将其填充至FEVE中，得到PS-PVP@NH2-rGO/FEVE复合涂层。研究了PS-PVP@NH2-rGO的物理和化学性质并考察了其在二甲苯中的再分散稳定性；通过对比与PS-PVP@rGO同等掺入量的PS-PVP@NH2-rGO/FEVE复合涂层的减摩耐磨和防腐蚀性能，评估了含氮基团的引入对PS-PVP@rGO与FEVE之间的界面相互作用影响，探讨了PS-PVP@NH2-rGO对FEVE涂层的增强机理。研究结果表明：相比PS-PVP@rGO，PS-PVP@NH2-rGO中N元素的含量提升了34.9%；与PS-PVP@rGO/FEVE复合涂层相比，PS-PVP@NH2-rGO/FEVE复合涂层的平均摩擦系数和磨损率分别降低了5.06%和37.24%，阻抗值和低频阻抗模量分别提升了38倍和47倍。机理分析表明：PS-PVP@NH2-rGO/FEVE复合涂层耐磨和防腐性能的提升归因于PS-PVP@NH2-rGO在FEVE中的良好分散性和含氮基团的引入对PS-PVP@NH2-rGO与FEVE的界面相互作用的提升。 （3）采用尿素辅助球磨法，向PS-PVP@rGO中引入含氮基团制备得到PS-PVP@N-rGO粉体并将其填充至FEVE中得到PS-PVP@N-rGO/FEVE复合涂层。研究了PS-PVP@N-rGO的物理和化学性质并考察了其在二甲苯中的再分散稳定性；通过对比与PS-PVP@rGO同等掺入量的PS-PVP@N-rGO/FEVE复合涂层的减摩耐磨和防腐蚀性能，结合DSC技术对PS-PVP@N-rGO/FEVE复合涂层固化过程中热演化的监测，评估了含氮基团的引入对PS-PVP@rGO与FEVE之间的界面相互作用的影响，探讨了PS-PVP@N-rGO对FEVE涂层的增强机理。研究结果表明：PS-PVP@N-rGO中N元素以石墨N的形式存在于rGO表面；与PS-PVP@rGO/FEVE复合涂层相比，PS-PVP@N-rGO/FEVE复合涂层的平均摩擦系数和磨损率分别降低了2.53%和31.67%，阻抗值和低频阻抗模量分别提升了37倍和67倍，DSC结果表明PS-PVP@N-rGO中引入的含氮基团与氟碳涂料固化剂发生了反应。机理分析表明：PS-PVP@N-rGO/FEVE复合涂层耐磨和防腐性能的提升归因于PS-PVP@N-rGO在FEVE中的良好分散性和含氮基团的引入对PS-PVP@N-rGO与FEVE界面相互作用的提升。
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