專利名稱：碳纖維復合的混合導電陽極涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于具有高電導和高強度的碳纖維/石墨、碳復合的導電涂料及其在陰極保護中用作犧牲陽極，屬于無機涂層及金屬腐蝕與防護領(lǐng)域。
自CN85100697專利公開后，陰極保護這種永久性的金屬防腐蝕技術(shù)即沖破了傳統(tǒng)的禁錮而被應用到了無連續(xù)導電介質(zhì)存在的大氣環(huán)境中，它的原理就是在金屬構(gòu)件的表面涂覆一層人造的固體電解質(zhì)涂層從而形成連續(xù)的離子導電相，并在電解質(zhì)的外層加上輔助陽極涂層，繼而以金屬構(gòu)件為陰極施以外加電流可實現(xiàn)對金屬表面的有效保護。從實際的工程應用情況看，這種保護是能令人滿意的。CN90102900.9專利所發(fā)明的準液態(tài)網(wǎng)絡型固體電解質(zhì)充分利用了被保護構(gòu)件所處環(huán)境的特點，使陰極保護技術(shù)可在大氣環(huán)境下低成本應用，其中所使用的混合導體輔助陽極加強了電解質(zhì)與陽極之間的結(jié)合，減輕了界面極化，從而提高了陰極保護的可靠性。以上陰極保護技術(shù)雖已在實際中得到了一定的應用，但尚不能大規(guī)模推廣，主要是因為(1)導電物石墨/成膜劑的比例難以提高，使陽極層的電阻較高；以石墨粉形成的導電網(wǎng)絡，陽極層的力學性能，如與電解質(zhì)的粘結(jié)強度以及涂層的抗裂性等均難以滿足“永久性”保護的要求；(2)施工性能較差；(3)吸水后陽極層的導電性顯著降低。通常陽極層的導電性與力學性能很難同時滿足，所制造的陰極保護裝置上需要設置很多的陽極集流點，相鄰集流點之間的保護電位衰減較大，長時間運行后涂層容易開裂甚至脫落。
本發(fā)明的目的在于提供一類以碳纖維/石墨或碳復合型填料組成的并具有混合導電性的低電阻陽極涂層，同時具有優(yōu)良的粘結(jié)性能和抗裂性，為陰極保護技術(shù)在大氣環(huán)境下的推廣應用提供可靠的保證。
本發(fā)明所提供的一類復合型的涂層是以充分分散的碳纖維與石墨或碳復合的電子導電物質(zhì)，以SiO2網(wǎng)絡的連通缺陷為離子導電通道構(gòu)成的高電導率混合導體，構(gòu)成輔助陽極時，碳纖維對提高涂層的導電性能以及力學性能起了決定性的作用。導電性的提高在于碳纖維在部分非網(wǎng)絡石墨或碳顆粒間的架橋作用。導電性和抗裂性隨著碳纖維含量的提高以及纖維長度的增加而提高。
組成上述涂層的具體組份是，導電填料石墨粉或碳粉(40-360目)與碳纖維(聚丙烯腈基、瀝青基等)的總含量為16-80wt％，(其中纖維與石墨或碳粉的重量比為1∶20-1∶0.5)，成膜劑為水玻璃(鈉水玻璃或鉀水玻璃)，其用量為20-70wt％，固化劑(氟硅酸鈉或氟硅酸鉀)5-30wt％，分散劑(丹寧酸)0.1-1wt％。以上各組份均可采用工業(yè)原料。
制備碳纖維和石墨或碳復合的導電涂料時只需將上述配比范圍稱量的碳纖維與石墨粉(或碳粉)和固化劑均勻混合后加入到含有分散劑的水玻璃中攪拌至分散均勻為止。作為導電涂層應用于陰極保護裝置中時，只需將上述涂料刮涂或刷涂在欲保護金屬構(gòu)件的電解質(zhì)涂層上待其反應固化即可。涂層的固化可在10至100℃(優(yōu)先推薦10-60℃)溫度范圍并在一定的濕度條件下進行。以碳纖維復合的陽極層可以承受不低于30伏的保護槽壓。
本發(fā)明的效果是十分顯著的，表現(xiàn)在以下幾個方面1.纖維復合陽極涂層的導電性遠遠高于石墨粉單一導電介質(zhì)的陽極層。纖維不僅自身容易形成導電網(wǎng)絡，同時還可在石墨或碳顆粒間架橋，相反顆粒導電介質(zhì)不僅相互間的電接觸差，尤其是在高濕度的環(huán)境中，導電顆粒往往被離子導電液膜所包裹，電子導電性會急劇下降，而碳纖維所形成的導電網(wǎng)絡所受的影響則要小得多；2.碳纖維有效地改善了涂層的抗裂性，同時碳纖維具有顯著的增強作用；
3.以纖維復合涂層為陽極的陰極保護體系陽極集流點之間的電位衰減小，從而電極電位分布的均勻性大大提高；4.由于復合涂層導電的有效性，使涂料中成膜劑的比例可以適當提高，從而降低涂料的粘度，提高了涂層的施工性能。
以纖維復合涂層為陽極，可使陰極保護技術(shù)在大氣環(huán)境下得到推廣應用。
下表將纖維復合涂層與普通陽極涂層的各項指標一一對比，從中可見本發(fā)明的效果表1 本發(fā)明與普通陽極涂層的性能比較
作為本發(fā)明的實施例之一是以短纖維復合的導電涂料及其涂層的制作。將長度為1cm的聚丙烯腈基碳纖維20g與細度為200目的石墨粉100g以及氟硅酸鈉53.5g混合均勻后，加入含有重量百分比為0.3％丹寧酸的500g鈉水玻璃(模數(shù)2.2，比重1.41g/cm3)中攪拌。所得涂料在20-35℃，相對濕度＜90％條件下反應固化30天后的性能為線收縮3.3％電導率0.1Scm-1抗拉強度 3.90MPa以上述涂料制備陰極保護用陽極層時，直接將涂料涂刷在金屬表面的固體電解質(zhì)涂層上，在與上述相同的條件下固化后即可。30天后對保護構(gòu)件施加陰極保護電流，所得的(遠離陽極集流點)電位衰減為0.001V/m(使用非復合陽極時為0.01-0.02V/m)。
實施例2是以長短纖維復合的導電涂層的制作，將分別重12.5g的0.5cm和3cm兩種不同長度的聚丙烯腈基碳纖維與細度為200目的石墨粉250g以及氟硅酸鈉40g混合均勻后，加入含有重量百分比為0.5％丹寧酸的400g鈉水玻璃(模數(shù)為2.2，比重為1.41g/cm3)中攪拌，所得涂料在20-80℃，相對濕度70-90％條件下反應固化，30天后的性能為電導率 0.31Scm-1抗拉強度6.32MPa電位衰減0.0005Vm-1實施例3是第三種涂料及其涂層的制作。以長度為1cm的瀝青基碳纖維50g與細度為200目的石墨粉9 5g以及氟硅酸鉀55g充分混勻后，加入含有0.2％重量百分比丹寧酸的485g鉀水玻璃(模數(shù)2.4，比重1.45g/cm3)中充分攪拌，其余條件同實施例1，所得涂料及涂層的性能為電導率 0.30Scm-1抗拉強度5.15MPa電位衰減0.0002V/m實施例4是第四種涂料及其涂層的制作。將長度為1cm和5cm的聚丙烯腈基碳纖維各10g與細度為200目的石墨粉100g以及氟硅酸鉀58.5g充分混勻，加入到含有0.3％重量百分比丹寧酸的500g的鉀水玻璃(模數(shù)為2.2，比重為1.40g/cm3)中攪拌，所得涂料在20-35℃相對濕度＜90％的條件下固化后30天的性能為線收縮2.8％電導率0.41Scm-1抗拉強度 4.06Mpa電位衰減 0.0008V/m。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維復合的混合導電陽極涂層，包括成膜劑、固化劑及分散劑，其特征在于(1)碳纖維與石墨或碳粉共同形成電子導電網(wǎng)絡，斷裂的Si-O鍵構(gòu)成的連通缺陷形成離子遷移的通道；(2)碳纖維與石墨或碳粉的總含量為16-80wt％，其中纖維與石墨或碳粉的重量比為1∶20-1∶0.5；(3)鈉水玻璃或鉀水玻璃為成膜劑，其用量為20-70wt％；(4)作為固化劑的氟硅酸鈉或氟硅酸鉀的用量為5-30wt％；(5)分散劑(丹寧酸)用量為0.1-1wt％。
2.按權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于制備方法是按一定比例的纖維與石墨或碳粉和固化劑均勻混合，再加入到含有分散劑的水玻璃中攪拌至分散均勻為止，固化溫度為10-100℃。
3.按權(quán)利要求1或2所述的涂層，其特征在于所述的石墨粉或碳粉的粒度為60-320目，碳纖維為聚丙烯腈基或瀝青基。
4.按權(quán)利要求1或2所述的涂層，其特征在于導電物聚丙烯腈基纖維與石墨或碳粉的重量比為1∶5，分散劑為0.3wt％，導電物、氟硅酸鈉、鈉水玻璃的重量比為1∶0.45∶4.17。
5.按權(quán)利要求1或2所述的涂層，其特征在于聚丙烯腈基纖維與石墨或碳粉的重量比為1∶10，分散劑為0.5wt％，導電物、氟硅酸鈉、鈉水玻璃的重量比為1∶0.15∶1.45。
6.按權(quán)利要求1或2所述的涂層，其特征在于，瀝青基纖維與石墨或碳粉重量比為1∶1.9，分散劑為0.2wt％，導電物、氟硅酸鉀、鉀水玻璃的重量比為1∶0.38∶3.34。
7.按權(quán)利要求1或2所述的涂層，其特征在于，瀝青基纖維與石墨或碳粉的重量比為1∶5，分散劑為0.3wt％，導電物、氟硅酸鉀、鉀水玻璃的重量比為1∶0.49∶4.17。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于高分散碳纖維/石墨或碳粉復合物為電子導電體系的無機導電涂料及其涂層的制備和應用,它們兼?zhèn)涓叩恼辰Y(jié)性、高強度和抗裂性以及良好的操作性。所述的導電涂料是一定比例的碳纖維和碳粉或石墨粉的混合物、成膜劑鈉或鉀水玻璃。固化劑氟硅酸鈉或氟硅酸鉀以及分散劑丹寧酸均勻混合后在10—100℃,相對濕度< 90%的條件下進行液相反應并固化所制備的。在所制成的涂層中,碳纖維形成主要的導電網(wǎng)絡并為碳或石墨顆粒的導電架橋,斷裂的Si－O鍵構(gòu)成的連通缺陷形成離子遷移的通道。
文檔編號C23F13/14GK1180761SQ97106688
公開日1998年5月6日 申請日期1997年10月31日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月31日
發(fā)明者溫兆銀, 林祖 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所