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我國開發出石墨烯涂層技術,具有巨大經濟價值和發展空間!

發布時間:2019-04-24 訪問量:4016

我國開發出石墨烯涂層技術,具有巨大經濟價值和發展空間!

中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋功能材料團隊指導的有機功能涂層小組通過絕緣封裝、表面鈍化來抑制石墨烯的腐蝕促進行為,開發出一種可自行恢復其原有的防腐作用的石墨烯改性有機涂層技術,可延長涂層使用壽命,具有巨大的經濟價值和發展空間。


石墨烯是一種二維納米材料,具有良好的力學性能、高的長徑比及優異的阻隔性能,近年來在有機腐蝕防護涂層領域得到了廣泛關注。然而,石墨烯和涂層基體樹脂的界面相容性較差,進而導致涂層微孔、微裂紋等缺陷,同時,石墨烯的高導電性可能引起電偶腐蝕也限制了其進一步應用。美國西北大學黃嘉興從電化學電位角度強調石墨烯在腐蝕過程中做正極,會加速金屬的腐蝕。解決這一問題可采取以下應對措施:①研發石墨烯-聚合物復合涂層;② 在石墨烯中添加負極材料;③實現石墨烯涂層的自愈,抑制局部腐蝕(Nat. Nanotechnol., 2017, 12, 834-835.)。

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圖1 涂層電化學腐蝕原理及過程(來源:Nat. Nanotech.)


該涂層采用旋涂技術,可在金屬材料表面涂覆,涂層防腐效果明顯,物理化學性能穩定。涂層修復劑采用層狀雙金屬氫氧化物(LDH)將分子體積小的可溶性導電聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)固定在層間,同時與石墨烯進行靜電組裝,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的腐蝕促進現象,通過抑制界面處的電荷傳輸,有效提高了涂層的耐腐蝕性能,這將有利于實現復合涂層對金屬基底的長效腐蝕防護。另一方面,當涂層產生缺陷后,缺陷處的腐蝕性介質滲透產生的鎂離子PEDOT/PSS發生離子交聯,在一定程度上修補涂層缺陷,阻止腐蝕反應的進一步發生,具有一定的自修復性能。


相關工作發表在Mater. Chem. Front., 2019, 3, 321-330,并申請了國家發明專利(CN2010050740.9)。上述研究工作獲得國家杰出青年科學基金(5182550)、中科院前沿科學研究計劃(QYZDY-SSW-JSC009)以及浙江省自然科學基金(Y16B040008)等的資助。


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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) 修復機理


面對國外涂料巨頭對市場的壟斷,國內重防腐技術的空缺,國內企業沒有放棄與國外企業的競爭,他們積極研發,嘗試自主研發推出新型重防腐涂料。在歷經了無數次的試驗后,國產防腐涂料的難題在石墨烯領域找到了答案,一種石墨烯技術與傳統重防腐涂料結合的應用——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、強度最大的材料,同時具有良好的阻隔性能和屏蔽性能,還兼具高導電、高導熱的特性,能夠延長腐蝕發生的時間與侵蝕物質的侵入路徑,提高涂料的附著力與涂層保護膜質量,在柔韌性測試、抗沖擊測試以及最重要的耐腐蝕測試中都展現了優異特性,石墨烯無疑是目前最理想的能夠應用在重防腐涂料上的材料。


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目前國內市場上的重防腐涂料多以環氧富鋅作為重防腐的配套底漆,底漆中的鋅粉會對金屬基體表面進行物理隔絕和化學保護,來達到防腐的目的。但是鋅粉在微觀視角下呈現點狀分布,酸堿鹽小分子侵蝕物質能夠輕松通過,為了防止侵蝕物質的通過,以及提高電化學保護效果,只能提高鋅粉的使用量,但是大量使用鋅粉會導致裝備設施在進行切割焊接此類熱加工的時候,產生氧化鋅煙塵和鋅蒸汽,對人體造成危害,受腐蝕所產生的鋅重金屬離子也會對環境造成污染。


隨著隨著人們環保意識的不斷提高,世界各國對防腐涂料的發展提出越來越多的要求,防腐涂料正向高性能化、功能化、綠色化的方向發展,特別是發展石墨烯新型環保重防腐涂料已成為重防腐涂料的重要發展方向。


石墨烯與重防腐涂料的結合,能夠解決大量使用鋅粉帶來的弊端,充分發揮石墨烯的物理優勢,在兼顧重防腐性能的同時更加綠色環保。石墨烯具有的獨特結構,使其在物理防腐和電化學防腐方面都展現出一定的優勢。石墨烯的片層結構層層疊加、上下交錯排列,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的浸入、滲透和擴散,大大提高涂層的抗滲透性。(來源:綜合自寧波材料所、賢集網)


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