寧材所開發(fā)防腐石墨烯涂層技術(shù) 延長(zhǎng)涂層使用壽命

3月22日，記者了解到，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋功能材料團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)的有機(jī)功能涂層小組通過(guò)絕緣封裝、表面鈍化來(lái)抑制石墨烯的腐蝕促進(jìn)行為，開發(fā)出一種可自行恢復(fù)其原有的防腐作用的石墨烯改性有機(jī)涂層技術(shù)，可延長(zhǎng)涂層使用壽命，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和發(fā)展空間。

石墨烯是一種二維納米材料，具有良好的力學(xué)性能、高的長(zhǎng)徑比及優(yōu)異的阻隔性能，近年來(lái)在有機(jī)腐蝕防護(hù)涂層領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。然而，石墨烯和涂層基體樹脂的界面相容性較差，進(jìn)而導(dǎo)致涂層微孔、微裂紋等缺陷，同時(shí)，石墨烯的高導(dǎo)電性可能引起電偶腐蝕也限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。美國(guó)西北大學(xué)黃嘉興從電化學(xué)電位角度強(qiáng)調(diào)石墨烯在腐蝕過(guò)程中做正極，會(huì)加速金屬的腐蝕。解決這一問(wèn)題可采取以下應(yīng)對(duì)措施：①研發(fā)石墨烯-聚合物復(fù)合涂層；② 在石墨烯中添加負(fù)極材料；③實(shí)現(xiàn)石墨烯涂層的自愈，抑制局部腐蝕（Nat. Nanotechnol., 2017, 12, 834-835.）。

該涂層采用旋涂技術(shù)，可在金屬材料表面涂覆，涂層防腐效果明顯，物理化學(xué)性能穩(wěn)定。涂層修復(fù)劑采用層狀雙金屬氫氧化物（LDH）將分子體積小的可溶性導(dǎo)電聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）固定在層間，同時(shí)與石墨烯進(jìn)行靜電組裝，提高石墨烯的靈活性與分散性。該材料的絕緣表面有效避免了石墨烯-金屬基底及石墨烯片層間接觸所引發(fā)的腐蝕促進(jìn)現(xiàn)象，通過(guò)抑制界面處的電荷傳輸，有效提高了涂層的耐腐蝕性能，這將有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)合涂層對(duì)金屬基底的長(zhǎng)效腐蝕防護(hù)。另一方面，當(dāng)涂層產(chǎn)生缺陷后，缺陷處的腐蝕性介質(zhì)滲透產(chǎn)生的鎂離子PEDOT/PSS發(fā)生離子交聯(lián)，在一定程度上修補(bǔ)涂層缺陷，阻止腐蝕反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，具有一定的自修復(fù)性能。相關(guān)工作發(fā)表在Mater. Chem. Front., 2019, 3, 321-330，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利（CN2010050740.9）。

寧材所開發(fā)防腐石墨烯涂層技術(shù) 延長(zhǎng)涂層使用壽命 上述研究工作獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（5182550）、中科院前沿科學(xué)研究計(jì)劃（QYZDY-SSW-JSC009）以及浙江省自然科學(xué)基金（Y16B040008）等的資助。

圖1 涂層電化學(xué)腐蝕原理及過(guò)程（來(lái)源：Nat. Nanotech.）

圖2 （a）石墨烯絕緣封裝材料制備示意圖；（b,c,d）不同涂層缺陷處的局部交流阻抗分布與（e） 修復(fù)機(jī)理

面對(duì)國(guó)外涂料巨頭對(duì)市場(chǎng)的壟斷，國(guó)內(nèi)重防腐技術(shù)的空缺，國(guó)內(nèi)企業(yè)沒有放棄與國(guó)外企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，他們積極研發(fā)，嘗試自主研發(fā)推出新型重防腐涂料。在歷經(jīng)了無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)后，國(guó)產(chǎn)防腐涂料的難題在石墨烯領(lǐng)域找到了答案，一種石墨烯技術(shù)與傳統(tǒng)重防腐涂料結(jié)合的應(yīng)用——石墨烯新型重防腐涂料誕生了。

石墨烯作為新材料之王，是世界上目前人類已知的厚度最薄、強(qiáng)度最大的材料，同時(shí)具有良好的阻隔性能和屏蔽性能，還兼具高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的特性，能夠延長(zhǎng)腐蝕發(fā)生的時(shí)間與侵蝕物質(zhì)的侵入路徑，提高涂料的附著力與涂層保護(hù)膜質(zhì)量，在柔韌性測(cè)試、抗沖擊測(cè)試以及最重要的耐腐蝕測(cè)試中都展現(xiàn)了優(yōu)異特性，石墨烯無(wú)疑是目前最理想的能夠應(yīng)用在重防腐涂料上的材料。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的重防腐涂料多以環(huán)氧富鋅作為重防腐的配套底漆，底漆中的鋅粉會(huì)對(duì)金屬基體表面進(jìn)行物理隔絕和化學(xué)保護(hù)，來(lái)達(dá)到防腐的目的。但是鋅粉在微觀視角下呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布，酸堿鹽小分子侵蝕物質(zhì)能夠輕松通過(guò)，為了防止侵蝕物質(zhì)的通過(guò)，以及提高電化學(xué)保護(hù)效果，只能提高鋅粉的使用量，但是大量使用鋅粉會(huì)導(dǎo)致裝備設(shè)施在進(jìn)行切割焊接此類熱加工的時(shí)候，產(chǎn)生氧化鋅煙塵和鋅蒸汽，對(duì)人體造成危害，受腐蝕所產(chǎn)生的鋅重金屬離子也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

隨著隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，世界各國(guó)對(duì)防腐涂料的發(fā)展提出越來(lái)越多的要求，防腐涂料正向高性能化、功能化、綠色化的方向發(fā)展，特別是發(fā)展石墨烯新型環(huán)保重防腐涂料已成為重防腐涂料的重要發(fā)展方向。

石墨烯與重防腐涂料的結(jié)合，能夠解決大量使用鋅粉帶來(lái)的弊端，充分發(fā)揮石墨烯的物理優(yōu)勢(shì)，在兼顧重防腐性能的同時(shí)更加綠色環(huán)保。石墨烯具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使其在物理防腐和電化學(xué)防腐方面都展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。石墨烯的片層結(jié)構(gòu)層層疊加、上下交錯(cuò)排列，在涂層中能夠形成幾十到上百的致密的物理阻隔層，能夠有效抑制腐蝕介質(zhì)的浸入、滲透和擴(kuò)散，大大提高涂層的抗?jié)B透性。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：王元

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414