一種改性石墨烯復合納米涂層及其制備方法和應用技術

本發明專利技術涉及一種改性石墨烯復合納米涂層及其制備方法和應用。該涂層包括：成膜樹脂、固化劑、有機溶劑、分散劑、納米潤滑填料。制備方法包括：氧化石墨烯懸濁液配制，改性石墨烯制備，樹脂溶液配制，石墨烯復合納米涂層制備。該改性石墨烯納米復合涂層具有極高的耐磨性，大大提升了輸油管螺紋接頭的抗粘扣能力。制備工藝簡單，固化快，成本低，施工方便，對環境無污染。

A Modified Graphene Composite Nano-coating and Its Preparation and Application

The invention relates to a modified graphene composite nano coating, a preparation method and application thereof. The coating includes film-forming resin, curing agent, organic solvent, dispersant and Nano-lubricating filler. The preparation methods include: preparation of graphene oxide suspension, preparation of modified graphene, preparation of resin solution and preparation of graphene composite nano-coating. The modified graphene nanocomposite coating has very high wear resistance, which greatly improves the anti-sticking ability of the threaded joint of oil pipeline. The preparation process is simple, the solidification is fast, the cost is low, the construction is convenient, and the environment is not polluted.

【技術實現步驟摘要】
一種改性石墨烯復合納米涂層及其制備方法和應用
本專利技術屬于復合涂料及其制備和應用領域，特別涉及一種改性石墨烯復合納米涂層及其制備方法和應用。
技術介紹
在石油開采作業中，輸油管主要負責將原油從地下儲油層輸送到地表儲油設備中，其質量的穩定性與可靠性直接關系到整個開采過程成功與否。輸油管主要是通過螺紋相互連接，而在上扣卸扣過程中巨大的扭矩會使螺紋表面產生極高的接觸壓力，超過螺紋材料的屈服極限，產生塑性形變，導致兩個螺紋接觸面發生冷焊現象。而螺紋接觸面的相對運動又會導致冷焊部位被撕裂，造成螺紋的損傷或失效，這種失效形式一般被稱為粘扣失效。粘扣失效是螺紋管的主要失效形式，一旦出現會使輸油管密封性降低，最終導致脫扣和漏油等事故的發生。目前工業上用來改善螺紋粘扣問題的手段主要是對螺紋進行鍍銅和磷化處理。這種方法的生產效率低，生產成本高，很難實現大規模生產。除此之外，鍍銅和磷化工藝所產生的廢液對環境有著很大的危害，不符合綠色生產的觀念。因此，如何能夠簡單高效綠色地提高油套管螺紋的抗粘扣能力，成為了目前一個亟待解決的問題。納米有機潤滑填料摩擦系數低，在輕載荷下有著很好的減摩的效果，但由于其表面能低，與基體材料的結合力弱，因而導致其耐磨性較差，在較大載荷下磨損率高，因此納米有機潤滑填料需要與其他耐磨材料相互作用，產生協同效果，提升其耐磨性能。石墨烯是一種片層狀結構的二維碳納米材料，具有一系列優良的物理化學性能，是一種理想的減摩耐磨材料，可以與納米有機潤滑填料產生協同作用，提升涂層的減摩耐磨性能。但是由于石墨烯本身具有較大的比表面積，表面能較高，因此極易在涂層中產生團聚，進而極大地影響了涂層的力學以及摩擦學性能。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是提供一種改性石墨烯復合納米涂層及其制備方法和應用，以克服現有技術中樹脂涂層減摩效果差和耐磨性差的缺陷。本專利技術對石墨烯進行了表面改性，并制備了改性石墨烯納米復合涂層。在不降低涂層減摩性的同時，有效地提升復合涂層的耐磨性，達到保護輸油管螺紋頭，提高其抗粘扣性能的目的。本專利技術的一種改性石墨烯復合納米涂層，所述涂層按照質量百分比包括：5％～30％成膜樹脂、5％～30％固化劑、20％～70％有機溶劑、0.1％～5％分散劑和1％～20％納米潤滑填料。所述成膜樹脂為聚酯樹脂、氨基樹脂、丙烯酸樹脂、聚醛樹脂、酚醛樹脂、環氧樹脂、聚氨酯樹脂、醇酸樹脂中的一種或任意幾種。所述固化劑為胺類固化劑。所述有機溶劑為N,N-二甲基甲酰胺、二甲苯、丙酮、正丁醇、甲酸異丁酯、二異丙醚中的一種或幾種。所述納米潤滑填料包括納米無機潤滑填料和納米有機潤滑填料。所述納米無機潤滑填料為改性石墨烯，其片層厚度為10nm～500nm，粒徑為100nm～1μm，質量百分比為0.1％～5％。所述納米有機潤滑填料為納米聚四氟乙烯、納米聚丙烯、納米聚甲基丙烯酸甲酯中的一種或任意幾種，粒徑為10nm～500nm，質量百分比為0.9％～15％。本專利技術的一種改性石墨烯復合納米涂層的制備方法，包括：(1)將氧化石墨烯用改性劑進行改性和還原，得到改性石墨烯，其中氧化石墨烯與改性劑的比例為10mg～1g:1mL～100mL；(2)將成膜樹脂與固化劑分別加入到有機溶劑中，攪拌，使其充分溶解，得到樹脂溶液，其中成膜樹脂、固化劑和有機溶劑的質量比為5～50:5～50:40～90；(3)將步驟(2)中樹脂溶液加入分散劑，攪拌，加入步驟(1)中改性石墨烯，超聲分散，再加入納米有機潤滑填料球磨，得到改性石墨烯復合納米涂層。其中，分散劑的質量百分比為0.1％～5％，改性石墨烯質量百分比為0.1％～5％，納米有機潤滑填料質量百分比為0.9％～15％。所述步驟(1)中將氧化石墨烯用改性劑進行改性和還原具體為：將氧化石墨烯加入到N,N-二甲基甲酰胺中，超聲分散20～120min，得到氧化石墨烯懸濁液，然后加入改性劑，40℃～90℃下超聲2h～8h，洗滌干燥，其中氧化石墨烯與N,N-二甲基甲酰胺的比例為10mg-1g:100mL。所述步驟(1)中改性劑為水合肼、無水乙二胺、十八胺中的至少一種和KH550、KH560、KH570、異氰酸酯中的一種或任意幾種。其中水合肼、無水乙二胺、十八胺中的一種或幾種起到還原改性作用，其余的只起到改性作用。所述步驟(2)中成膜樹脂為聚酯樹脂、氨基樹脂、丙烯酸樹脂、聚醛樹脂、酚醛樹脂、環氧樹脂、聚氨酯樹脂、醇酸樹脂中的一種或任意幾種。所述步驟(2)中有機溶劑為N,N-二甲基甲酰胺、二甲苯、丙酮、正丁醇、甲酸異丁酯、二異丙醚中的一種或幾種。所述步驟(3)中攪拌時間為10～30min；超聲分散時間為1h～8h；球磨時間為3h～10h。本專利技術的一種改性石墨烯復合納米涂層的應用。包括應用于油套管螺紋接頭中，可以有效避免輸油管螺紋接頭在上扣卸扣過程中出現的粘扣現象。有益效果(1)本專利技術制備工藝簡單，成本低，施工方便，對環境無污染。(2)本專利技術使用改性石墨烯及有機納米潤滑填料作為添加劑來提高樹脂涂層的減摩性以及耐磨性，極大提升了輸油管螺紋接頭的抗粘扣能力。附圖說明圖1為實例1所制備改性石墨烯復合納米涂層經過1h摩擦實驗后的磨痕微觀形貌圖。圖2為對比例1中未添加改性石墨烯的涂層經過1h摩擦實驗后的磨痕微觀形貌圖。圖3為實例1所制備改性石墨烯復合納米涂層刷涂在螺紋表面的效果圖。圖4為實例1所制備改性石墨烯復合納米涂層30次上、卸扣后的效果圖。具體實施方式下面結合具體實施例，進一步闡述本專利技術。應理解，這些實施例僅用于說明本專利技術而不用于限制本專利技術的范圍。此外應理解，在閱讀了本專利技術講授的內容之后，本領域技術人員可以對本專利技術作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。氧化石墨烯(3～10層)購自蘇州碳豐石墨烯科技有限公司，水合肼、十八胺、無水乙二胺、KH560、甲酸異丁酯、正丁醇、丙酮均購自國藥集團化學試劑有限公司，均為分析純，N,N-二甲基甲酰胺、KH550、二甲苯、二異丙醚均購自上海凌峰化學試劑有限公司，均為分析純。實施例1(1)量取10mg氧化石墨烯加入到100mLN,N-二甲基甲酰胺中，超聲分散30min，得到穩定的氧化石墨烯懸濁液。使用磁力攪拌器攪拌懸濁液，同時向其中緩慢滴加10mL水合肼和20mLKH550。將懸濁液在50℃下超聲4h，反應完成后冷卻到室溫，洗滌干燥，得到改性石墨烯粉體。(2)將聚醛樹脂及氨基樹脂與正丁醇及二甲苯混合，加入胺類固化劑，攪拌至溶解。其中聚醛樹脂及氨基樹脂占涂層總質量的質量百分比分別為3％和7％，胺類固化劑質量百分比為10％。正丁醇及二甲苯質量百分比分別為30％和40％。(3)在步驟(2)中樹脂溶液中滴加質量百分比0.2％(以涂層總質量為基準)的分散劑，攪拌20min使其完全溶解。將步驟(1)中改性石墨烯粉體加入到樹脂溶液中，超聲分散2h，再與聚四氟乙烯納米粉一起球磨5h，制成改性石墨烯復合納米涂層，密封保存。其中以涂層總質量為基準，改性石墨烯的質量百分比為1.8％，聚四氟乙烯納米粉的質量百分比為8％。該石墨烯復合納米涂層其磨損率達到了2.41×10-3mg.m-1。圖1表明：本實施例所制備的改性石墨烯復合納米涂層經過1h摩擦實驗后磨痕表面較為光滑，磨損量較小。圖3表明：本實施本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種改性石墨烯復合納米涂層，其特征在于，所述涂層按照質量百分比包括：5％～30％成膜樹脂、5％～30％固化劑、20％～70％有機溶劑、0.1％～5％分散劑和1％～20％納米潤滑填料。

【技術特征摘要】
1.一種改性石墨烯復合納米涂層，其特征在于，所述涂層按照質量百分比包括：5％～30％成膜樹脂、5％～30％固化劑、20％～70％有機溶劑、0.1％～5％分散劑和1％～20％納米潤滑填料。2.根據權利要求1所述的改性石墨烯復合納米涂層，其特征在于，所述成膜樹脂為聚酯樹脂、氨基樹脂、丙烯酸樹脂、聚醛樹脂、酚醛樹脂、環氧樹脂、聚氨酯樹脂、醇酸樹脂中的一種或任意幾種；固化劑為胺類固化劑。3.根據權利要求1所述的改性石墨烯復合納米涂層，其特征在于，所述有機溶劑為N,N-二甲基甲酰胺、二甲苯、丙酮、正丁醇、甲酸異丁酯、二異丙醚中的一種或任意幾種；納米潤滑填料包括納米無機潤滑填料和納米有機潤滑填料。4.根據權利要求3所述的改性石墨烯復合納米涂層，其特征在于，所述納米無機潤滑填料為改性石墨烯，質量百分比為0.1％～5％；納米有機潤滑填料為納米聚四氟乙烯、納米聚丙烯、納米聚甲基丙烯酸甲酯中的一種或任意幾種，質量百分比為0.9％～15％。5.一種改性石墨烯復合納米涂層的制備方法，包括：(1)將氧化石墨烯用改性劑進行改性和還原，得到改性石墨烯，其中氧化石墨烯與改性劑的比例為10mg～1g:1mL～100mL；(2)將成膜樹脂與固化劑分別加入到有機溶劑中，攪拌，使其充分溶解，得到樹脂溶液，其中成膜樹脂、固化劑和有機溶劑的質量比為5～50:5～50:40～90；(3)將步驟(2)中樹脂溶液加入分散劑...

【專利技術屬性】
技術研發人員：白濤，趙博，
申請(專利權)人：東華大學，
類型：發明
國別省市：上海,31