本發(fā)明屬于涂料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種石墨相氮化碳-石墨烯復(fù)合物改性的自清潔導(dǎo)熱氟碳面漆。
背景技術(shù)：
氟碳樹脂中的F-C鍵鍵能高達(dá)486KJ/mol，表現(xiàn)出超高的化學(xué)穩(wěn)定性及耐候性而成為面漆的首選材料。但是有機(jī)污染物在氟碳涂層表面的附著問題一直以來都沒有得到較好的解決。尤其是近年來，隨著環(huán)境污染的加重，大氣中的有機(jī)污染物濃度不斷提高，極大的影響了涂層的美觀性和耐久性。
石墨相氮化碳是一種典型的富電子有機(jī)半導(dǎo)體材料，導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的禁帶寬度～2.7eV，可以吸收太陽光中波長小于475nm的藍(lán)紫光。在光照的條件下，石墨相氮化碳中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶形成電子—空穴對，空穴可以和吸附的水分子或羥基發(fā)生反應(yīng)，生成具有極高活性的·OH與·O2-，可以引發(fā)絕大多數(shù)的有機(jī)化合物和部分無機(jī)物的分解，實(shí)現(xiàn)涂層的自清潔作用。
但是石墨相氮化碳作為聚合物材料，激子結(jié)合能較高，不利于光生電子—空穴的遷移和分離，從而導(dǎo)致電子與空穴的復(fù)合率高，量子效率低。將其與其他材料復(fù)合，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)光生電子—空穴對的分離，從而提高涂層的光催化效率和自清潔能力。
石墨烯是由碳原子通過sp2雜化得到的二維晶體材料，具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能。常溫下其電子遷移率超過15000cm2/(V·s)，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/(m·K)，高于碳納米管和金剛石。由于石墨相氮化碳與石墨烯均是由sp2雜化形成的高度離域的π共軛體系，兩者結(jié)構(gòu)上的相似性使其更易形成復(fù)合材料。石墨相氮化碳在可見光的照射下激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對，由于石墨烯具有極高的電子遷移率，可以將電子迅速的從石墨相氮化碳的導(dǎo)帶遷移至石墨烯，促進(jìn)光生電子—空穴對的分離，從而提高了石墨相氮化碳的光催化量子效率和涂層的自清潔能力。與此同時(shí)，石墨烯的高熱導(dǎo)系數(shù)將使涂層具有更好的導(dǎo)熱性能，對于電線電纜、工業(yè)設(shè)備、航空航天等對散熱性能要求比較高的領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用。石墨相氮化碳與石墨烯復(fù)合材料改性的氟碳面漆將同時(shí)具有光催化自清潔能力和高導(dǎo)熱性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述不足，本發(fā)明提供了一種石墨相氮化碳—石墨烯復(fù)合物改性的氟碳面漆，涂層中的石墨相氮化碳可以在可見光下發(fā)生光催化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)涂層的自清潔作用；石墨烯的添加不僅可以實(shí)現(xiàn)光生電子—空穴對的快速分離，提高光催化效率和自清潔能力，而且石墨烯的高導(dǎo)熱系數(shù)將大大提高涂層的散熱性能。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種石墨相氮化碳-石墨烯復(fù)合物改性的自清潔導(dǎo)熱氟碳面漆，由A組分和B組分構(gòu)成，A組分與B組分的質(zhì)量比為4：1；其中，A組分由如下重量份的原料組成：氟碳樹脂：40～70份、有機(jī)溶劑：30～40份、g-C3N4/rGO：0.5～25份、消泡劑：0.1～0.5份、流平劑：0.1～2份；B組分為封閉型異氰酸酯固化劑。
為了提高涂料的自清潔性能，本發(fā)明試圖在涂料中加入具有光催化性能的g-C3N4/rGO，但是由于C3N4本身的光催化自清潔作用是通過吸收太陽光中的藍(lán)紫光而發(fā)揮作用的；與此同時(shí)，涂層的老化也主要是由于紫外光的照射導(dǎo)致的，因此，C3N4的加入不可避免地導(dǎo)致原有涂層老化的加速。為了克服上述問題，本發(fā)明對現(xiàn)有的涂層的老化機(jī)理和影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對現(xiàn)有涂層材料進(jìn)行了大規(guī)模篩選和分析，發(fā)現(xiàn)：選擇耐候性比較好的氟碳面漆，可以避免C3N4的加入導(dǎo)致原有涂層老化的加速的問題，同時(shí)，r-GO的加入還可以發(fā)揮其自身的特性，明顯地提高了涂層的散熱性能，使氟碳面漆獲得預(yù)期的自清潔能力和散熱性能。
優(yōu)選的，所述氟碳樹脂為三氟氯乙烯與烷基乙烯醚的交替排列共聚樹脂(PFEVE氟碳樹脂)。
優(yōu)選的，所述有機(jī)溶劑為二甲苯與醋酸丁酯的混合溶劑(優(yōu)選的混合比例為1：1)。
優(yōu)選的，所述消泡劑為BYK-052。
優(yōu)選的，所述流平劑為聚丙烯酸酯溶液。
優(yōu)選的，所述g-C3N4/rGO采用如下方法制備：
將三聚氰胺和氧化石墨加入到水和乙醇的混合溶液中，超聲分散、攪拌、冷凍干燥后研磨；
將研磨后的粉末在惰性氣體保護(hù)下高溫焙燒，即得。
優(yōu)選的，所述焙燒溫度為500～550℃下焙燒4～5h。
優(yōu)選的，所述氧化石墨與三聚氰胺的質(zhì)量比為1:45～50。
本發(fā)明還提供了一種石墨相氮化碳改性氟碳面漆的制備方法，包括：
將A組分的各原料混合，使其分散均勻；
向上述分散均勻的A組分中加入B組分，使其混合均勻，即得。
本發(fā)明還提供了一種較優(yōu)的石墨相氮化碳-石墨烯復(fù)合物改性的自清潔導(dǎo)熱氟碳面漆的制備方法：
一、氧化石墨的制備
氧化石墨的制備采用Hummers方法：稱取一定量的石墨粉加入到圓底燒瓶中，隨后加入硝酸鈉(NaNO3)和濃硫酸，冰浴攪拌15min后緩慢加入高錳酸鉀(K2MnO4)，繼續(xù)攪拌3h；升溫至35℃后攪拌4h；向燒瓶中加水后升溫至98℃，繼續(xù)攪拌3h；加入H2O2洗滌，過濾，烘干后即得氧化石墨。
二、石墨相氮化碳—氧化石墨烯復(fù)合物的制備
將一定量的三聚氰胺和氧化石墨(氧化石墨與三聚氰胺的質(zhì)量比為1:50)按照質(zhì)量比加入到水和乙醇的混合溶液中，超聲分散30min；室溫?cái)嚢?h；然后冷凍干燥后研磨。將研磨后的粉末放入帶蓋的坩堝中，置于氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下的馬弗爐中，以2.2℃/min的升溫速率加熱到550℃，并保持4h，焙燒后得到的產(chǎn)物即為石墨相氮化碳—氧化石墨烯復(fù)合物(g-C3N4/rGO)。
三、石墨相氮化碳—氧化石墨烯復(fù)合物改性氟碳面漆的制備方法
一種氟碳面漆由A組分和B組分構(gòu)成。A組分由以下成分組成(按質(zhì)量百分比份數(shù)計(jì)算)：
氟碳樹脂：40～65
有機(jī)溶劑：30～40
g-C3N4/rGO：0.5～25
消泡劑：0.1～0.5
流平劑：0.1～2
其中，所述氟碳樹脂為三氟氯乙烯與烷基乙烯醚的交替排列共聚樹脂(PFEVE氟碳樹脂)；所述有機(jī)溶劑為二甲苯與醋酸丁酯的混合溶劑；所述消泡劑為BYK-052；所述流平劑為聚丙烯酸酯溶液。
所述組分B為封閉型異氰酸酯固化劑。
上述石墨相氮化碳改性氟碳面漆的制備方法，包括以下步驟：
(1)按照一定的比例將上述A組分的各種物質(zhì)添加到燒杯中，并在1000r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌2～3h，將各組分充分分散均勻；
(2)將組分A與組分B按照一定的比例充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，即可得到改性的面漆涂料?/p>
本發(fā)明還提供了任一上述的氟碳面漆在制備電線電纜、工業(yè)設(shè)備或航空航天器材涂層中的應(yīng)用。
本發(fā)明的有益效果
(1)本發(fā)明中石墨相氮化碳—氧化石墨烯復(fù)合物作為氟碳面漆的添加劑具有制備原料價(jià)廉易得、操作簡單方便、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。石墨相氮化碳的存在可以極大的提高涂層對太陽光的利用率，更高效地分解各種有機(jī)物以及部分無機(jī)物，提高自清潔能力；石墨烯的添加可以改善涂層的導(dǎo)熱性能。改善后的氟碳面漆同時(shí)兼具自清潔能力和高導(dǎo)熱性能。
(3)本發(fā)明制備方法簡單、實(shí)用性強(qiáng)，易于推廣。
具體實(shí)施方式
以下通過實(shí)施例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解：
一、氧化石墨的制備
氧化石墨的制備采用Hummers方法：稱取一定量的石墨粉加入到圓底燒瓶中，隨后加入硝酸鈉(NaNO3)和濃硫酸，冰浴攪拌15min后緩慢加入高錳酸鉀(K2MnO4)，繼續(xù)攪拌3h；升溫至35℃后攪拌4h；向燒瓶中加水后升溫至98℃，繼續(xù)攪拌3h；加入H2O2洗滌，過濾，烘干后即得氧化石墨。
二、石墨相氮化碳—氧化石墨烯復(fù)合物的制備
將一定量的三聚氰胺和氧化石墨(氧化石墨烯與三聚氰胺的質(zhì)量比為1:50)按照質(zhì)量比加入到水和乙醇的混合溶液中，超聲分散30min；室溫?cái)嚢?h；然后冷凍干燥后研磨。將研磨后的粉末放入帶蓋的坩堝中，置于氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下的馬弗爐中，以2.2℃/min的升溫速率加熱到550℃，并保持4h，焙燒后得到的產(chǎn)物即為石墨相氮化碳—氧化石墨烯復(fù)合物(g-C3N4/rGO)。
實(shí)施例1
氟碳樹脂：65
溶劑：30
g-C3N4/rGO：2.5
消泡劑：0.5
流平劑：2
本實(shí)施例所述的改性氟碳面漆制備步驟如下：
(1)按照選定的重量百分比稱取氟碳樹脂、溶劑、石墨相氮化碳、消泡劑和流平劑，在1000r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌2～3h，分散均勻；
(2)按照氟碳樹脂與固化劑4:1的比例稱取異氰酸酯，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍?/p>
(3)在已刷涂底漆的試樣上刷涂上述方法制備的氟碳面漆。
實(shí)施例2
氟碳樹脂：60
溶劑：33
g-C3N4/rGO：5
消泡劑：0.5
流平劑：1.5
本實(shí)施例所述的改性氟碳面漆制備步驟如下：
(1)按照選定的重量百分比稱取氟碳樹脂、溶劑、石墨相氮化碳、消泡劑和流平劑，在1000r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌2～3h，分散均勻；
(2)按照氟碳樹脂與固化劑4:1的比例稱取異氰酸酯，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍?/p>
(3)在已刷涂底漆的試樣上刷涂上述方法制備的氟碳面漆。
實(shí)施例3
氟碳樹脂：53
溶劑：35
g-C3N4/rGO：10
消泡劑：0.5
流平劑：1.5
本實(shí)施例所述的改性氟碳面漆制備步驟如下：
(1)按照選定的重量百分比稱取氟碳樹脂、溶劑、石墨相氮化碳、消泡劑和流平劑，在1000r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌2～3h，分散均勻；
(2)按照氟碳樹脂與固化劑4:1的比例稱取異氰酸酯，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍?/p>
(3)在已刷涂底漆的試樣上刷涂上述方法制備的氟碳面漆。
實(shí)施例4
氟碳樹脂：47
溶劑：33
g-C3N4/rGO：18
消泡劑：0.5
流平劑：1.5
本實(shí)施例所述的改性氟碳面漆制備步驟如下：
(1)按照選定的重量百分比稱取氟碳樹脂、溶劑、石墨相氮化碳、消泡劑和流平劑，在1000r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌2～3h，分散均勻；
(2)按照氟碳樹脂與固化劑4:1的比例稱取異氰酸酯，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍?/p>
(3)在已刷涂底漆的試樣上刷涂上述方法制備的氟碳面漆。
實(shí)施例5
氟碳樹脂：43
溶劑：30
g-C3N4/rGO：25
消泡劑：0.5
流平劑：1.5
本實(shí)施例所述的改性氟碳面漆制備步驟如下：
(1)按照選定的重量百分比稱取氟碳樹脂、溶劑、石墨相氮化碳、消泡劑和流平劑，在1000r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌2～3h，分散均勻；
(2)按照氟碳樹脂與固化劑4:1的比例稱取異氰酸酯，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍?/p>
(3)在已刷涂底漆的試樣上刷涂上述方法制備的氟碳面漆。
對比例1
氟碳樹脂：43
溶劑：30
石墨相氮化碳：25
消泡劑：0.5
流平劑：1.5
本實(shí)施例所述的改性氟碳面漆制備步驟如下：
(1)按照選定的重量百分比稱取氟碳樹脂、溶劑、石墨相氮化碳、消泡劑和流平劑，在1000r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌2h，分散均勻；
(2)按照氟碳樹脂與固化劑4:1的比例稱取異氰酸酯，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍?/p>
(3)在已刷涂底漆的試樣上刷涂上述方法制備的氟碳面漆。
用羅丹明B的降解實(shí)驗(yàn)來衡量涂層的自清潔能力。具體操作過程：將實(shí)施例5與對比例1中的涂層試樣置于濃度為10mg/L的羅丹明B溶液中，并用300W的氙燈(λ＝420nm)連續(xù)照射3h；取出試樣后利用紫外-可見分光光度計(jì)測量溶液中羅丹明B的吸光度。根據(jù)朗伯-比爾定律中吸光度與濃度成正比的關(guān)系，可通過吸光度計(jì)算得到羅丹明B的降解率：其中A為照射后羅丹明B溶液的吸光度；A0為照射前羅丹明B溶液的吸光度。
經(jīng)420nm的可見光連續(xù)照射3h后，羅丹明B在對比例1中的降解率可以達(dá)到30％左右，而在實(shí)施例5中羅丹明B的降解率可以達(dá)到70％左右，說明石墨烯的加入對于增強(qiáng)石墨相氮化碳的光催化作用具有明顯的效果。這主要是由于石墨相氮化碳在可見光下產(chǎn)生的光生電子可以快速地轉(zhuǎn)移到石墨烯上，從而實(shí)現(xiàn)光生電子—空穴對的有效分離，提高光催化效率，增強(qiáng)涂層的自清潔能力。
實(shí)施例5中涂層的導(dǎo)熱性能比對比例1中涂層的導(dǎo)熱性能提高了30％～40％左右。這主要是由于石墨烯具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，在實(shí)施例5中添加了石墨烯成分可以明顯的改善涂層的導(dǎo)熱性能。
最后應(yīng)該說明的是，以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。上述雖然對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。