江蘇科技大學腐蝕頂刊：氯離子響應(yīng)性主動防護環(huán)氧復(fù)合涂層
2024-06-11 14:24:16
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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眾所周知，海洋面積占地球的70.8%，大量的海洋船舶、海上平臺、海洋管道、鄰海設(shè)施長期浸沒于海洋中。海洋環(huán)境具有高鹽、富氧、溫度高、波浪沖刷、海洋生物附著等特點，導(dǎo)致海洋裝備中金屬、鋼筋混凝土等材料的嚴重腐蝕，這不僅帶來了巨大的經(jīng)濟損失，還引發(fā)了惡劣的環(huán)境污染問題。在金屬材料的表面建立有機聚合物防腐涂層是相對經(jīng)濟高效的防腐手段。然而，防腐涂料在服役過程中不可避免地會出現(xiàn)內(nèi)部缺陷或由外部沖擊造成的局部損傷，腐蝕介質(zhì)將沿涂層缺陷或破損到達基底金屬表面，引起金屬的局部腐蝕造成失效。因此，在受到破壞且腐蝕開始發(fā)生時，以非人為干預(yù)的方式實現(xiàn)自我修復(fù)，從而減弱基體腐蝕的智能防腐涂層正成為研究的熱點。圖1. LDHs/EP復(fù)合涂層的設(shè)計原理。海洋腐蝕介質(zhì)中含有大量的 Cl-、 SO42-、 Na+、 Mg2+和 Ca2+等離子，若腐蝕介質(zhì)中的上述離子與涂層中無機載體材料接觸后使后者發(fā)生刺激性響應(yīng)并釋放出緩蝕劑，則可實現(xiàn)涂層的自修復(fù)。近年來，鎂鋁層狀雙金屬氫氧化物（LDH）因其片狀阻隔作用被廣泛應(yīng)用于金屬腐蝕防護領(lǐng)域。同時，負載陰離子緩蝕劑的LDH與腐蝕介質(zhì)中的陰離子具有明確的離子交換能力。海洋環(huán)境中Cl-含量較高，基于負載有機緩蝕劑LDH的聚合物防腐涂層表現(xiàn)出Cl-刺激響應(yīng)的巨大潛力，正受到海洋防腐自修復(fù)涂層研究者的高度關(guān)注。基于上述背景，江蘇科技大學材料科學與工程學院李照磊課題組提出了一種新的解決方法和思路，通過煅燒再水合法制備了有機緩蝕劑 MBI 和 MBT 插層的鎂鋁水滑石（LDHs），再摻雜到環(huán)氧樹脂（EP）共混，制備出了一種可通過離子刺激響應(yīng)進行自修復(fù)且具有強抗腐蝕性能的復(fù)合涂層（圖1）。該研究成果以“Chloride ion-responsive active protection epoxy composite coatings realized by 2-Mercaptobenzimidazole and 2-Mercaptobenzothiazole intercalated Mg-Al layered double hydroxides”為題，發(fā)表在國際腐蝕領(lǐng)域頂級期刊Corrosion Science上，江蘇科技大學材料學院為該論文的第一完成單位，材料學院23屆碩士畢業(yè)生周立犇為該論文的第一作者，李照磊為唯一通訊作者。https://doi.org/10.1016/j.corsci.2024.112144 此研究將兩種有機緩蝕劑分子2-巰基苯并咪唑（MBI）和2-巰基苯并噻唑（MBT）分別負載于LDH中，制備出LDH-MBI（負載量約30%）與LDH-MBT（負載量約35%）兩種復(fù)合材料。該研究深入研究了有機緩蝕劑向LDH中負載的過程，以及不同Cl-含量腐蝕介質(zhì)中有機緩蝕劑從LDH向外釋放的動力學行為。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境中的Cl-與LDH中的緩蝕劑發(fā)生離子交換，實現(xiàn)緩蝕劑的釋放，且釋放量隨Cl-濃度升高而增大，表現(xiàn)出明顯的Cl-刺激響應(yīng)特性。隨后，以LDH-MBI與LDH-MBT作為填料，環(huán)氧樹脂為主要成膜物質(zhì)，課題組制備出了LDHs/EP復(fù)合涂層。當上述填料含量為3 wt.%時，含有LDH-MBI與LDH-MBT的LDHs/EP復(fù)合涂層的阻抗值比純EP涂層的阻抗值要高2個數(shù)量級， LDHs/EP復(fù)合涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕性能。與此同時，在不同濃度的NaCl溶液中進行電化學測試時，課題組發(fā)現(xiàn)LDHs/EP復(fù)合涂層可借助LDH-MBI或LDH-MBT的Cl-離子刺激響應(yīng)釋放出緩蝕劑，并最終實現(xiàn)高效自修復(fù)，在7.5 wt.%的NaCl溶液中LDHs/EP復(fù)合涂層仍然呈現(xiàn)出較強的抗腐蝕性能（圖2）。圖2. EP，LDH-MBI/EP和LDH-MBT/EP涂層在不同濃度NaCl溶液中隨著浸泡時間變化：（a）|Z|0.01 Hz（b）Rtotal和（c）Cfilm。圖3.（a-c）EP涂層、（b-f）LDH-MBI/EP復(fù)合涂層和（g-i）LDH-MBT/EP復(fù)合涂層在不同濃度NaCl溶液中浸泡4小時、24小時和48小時后LEIS變化。 進一步地，課題組利用微區(qū)電化學測試技術(shù)驗證了LDHs/EP復(fù)合涂層的自修復(fù)能力。如圖3所示，在 LEIS圖像中表現(xiàn)出兩邊高中間低的“峽谷”形狀，劃痕處阻抗值隨時間的變化直觀反映出了金屬的腐蝕情況和 LDHs/EP涂層的自修復(fù)過程。這一結(jié)果證實，隨著腐蝕介質(zhì)的滲入，LDHs能夠在有效地捕獲Cl-的同時持續(xù)釋放緩蝕劑 MBI和MBT，有機緩蝕劑能夠作用于涂層的劃痕區(qū)域，并提高劃痕區(qū)域的阻抗值。圖 4. LDHs /EP 涂層的防腐機理示意圖。最終，基于XPS等測試結(jié)果，課題組總結(jié)了LDHs /EP 涂層的Cl-刺激響應(yīng)自修復(fù)防腐機理，如圖5所示。首先，LDH作為一種二維層狀材料，增強了復(fù)合涂層對O2、H2O等腐蝕性物質(zhì)的阻隔作用。其次，隨著Cl-離子不斷滲透到復(fù)合涂層中，通過Cl-離子的交換可以釋放MBI或MBT緩蝕劑。隨后，MBI或MBT緩蝕劑可以與暴露區(qū)域的Fe2+或Fe3+配位，有利于復(fù)合涂層在受損后表現(xiàn)出了海洋高鹽含量腐蝕環(huán)境下優(yōu)異的Cl-刺激響應(yīng)主動防護特性。此項研究可為海洋等高鹽嚴酷腐蝕環(huán)境中金屬結(jié)構(gòu)材料的防護提供重要的理論指導(dǎo)，所研發(fā)出的高分子復(fù)合涂層也具有突出的實用價值。江蘇科技大學李照磊副教授主要從事高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱分析技術(shù)研究，包括生物可降解高分子結(jié)構(gòu)與性能、新能源固態(tài)聚合物電解質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能等領(lǐng)域。近年來，結(jié)合江蘇科技大學的船舶與海洋學科特色，李照磊課題組在金屬材料的腐蝕與防護、海水脫鹽處理等方向也有深入研究，尤其是刺激響應(yīng)、自修復(fù)等高性能聚合物基復(fù)合涂料。主持了國家自然科學青年基金項目、江蘇省產(chǎn)學研合作項目、江蘇省高校自然科學基金面上項目、鎮(zhèn)江市重點研發(fā)計劃項目，以及多項校企合作橫向課題項目。在ACS Macro Letters、Corrosion Science、Desalination、Environmental Science: Nano、Separation and Purification Technology、Electrochimica Acta、ACS Applied Polymer Materials、Progress in Organic Coatings等國際著名學術(shù)刊物上發(fā)表學術(shù)論文40余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利13件，研究成果獲中國產(chǎn)學研促進會創(chuàng)新成果一等獎、全國商業(yè)聯(lián)合會科技進步二等獎等獎勵。
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