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寧波材料所在揭示石墨烯防腐機制方面取得進展

文章來源:寧波材料技術與工程研究所  |  發布時間:2019-03-27  |  【打印】 【關閉

  

  石墨烯,一種由碳原子以sp2雜化連接形成六角型呈蜂巢晶格的平面2D材料,不僅是最堅硬的材料,同時還是防腐涂層領域已知的最薄的一種(一根頭發絲的直徑約是10萬層石墨烯疊加起來的厚度)。石墨烯比表面積大、機械性能好、化學穩定性高、熱力學穩定,并且它獨特的二維片層結構可以在涂層中形成迷宮式物理屏障隔絕腐蝕因子,對金屬提供長效保護,同時又可以構建導電導熱通道。石墨烯改性防腐涂料具有防腐效果佳、涂層厚度低、附著力高、漆膜重量輕、耐鹽霧性能優異等優勢,其在防腐涂料領域中的科學問題和應用推廣近年來引起科研工作者的廣泛興趣和高度關注。

  我國在石墨烯涂料領域研究起步較早,目前無論在基礎研究還是工程應用領域都已取得一些重要成果。當前石墨烯在涂料中最為熟知的防腐機制為物理屏蔽效應和鋅激活機制,研究工作主要關注石墨烯添加量變化與涂層防腐性能之間的“構-效”關系。然而,涂層的腐蝕防護與失效是一個長期的、動態的、復雜的過程,石墨烯的本征結構、分布狀態和服役階段等因素均對其防腐機制有重要的影響,需要進一步深入細致的進行研究。

  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通過Hummers法和還原反應制備了具有高電導率的還原氧化石墨烯(rGO)和低電導率的氧化石墨烯(GO),系統研究了rGO、GO和rGO/GO改性環氧富鋅(ZRE)復合涂層的腐蝕防護行為。結果表明,與ZRE涂層相比,在加入rGO后ZRE涂層的陰極保護時間和物理阻隔性能均大幅提升,ZRE-rGO涂層表現出最佳的防腐性能。一方面,rGO顯著改善了鋅顆粒與基體的電接觸,最大限度地發揮了鋅顆粒的作用;另一方面,rGO同樣具有優異的物理阻隔特性,大大延長了腐蝕介質的擴散路徑,從而提高了復合涂層的腐蝕保護壽命。相關研究結果發表在Materials and Design, 2019, 169, 107694

  該團隊利用聚苯胺作為石墨烯的分散劑,制備了系列石墨烯-環氧富鋅復合涂料。研究發現對于不含有鋅粉的涂層表現為單一的屏蔽保護機制;對于含有鋅粉的涂層,由于石墨烯優異的導電性,涂層中更多的鋅粉被活化,鋅含量為40wt%和55wt%的涂層(G-40ZRC,G-55ZRC)前期表現出短暫的陰極保護作用,隨后進入屏蔽作用階段。由于鋅粉含量較傳統的環氧富鋅涂層有顯著地下降,使涂層的孔隙率降低,到浸泡結束,涂層一直保持較高的阻抗值。鋅粉含量為70wt%和85wt%的涂層(G-70ZRC,G-85ZRC),鋅粉含量較高,并且石墨烯的加入有利于涂層內部導電網絡的構筑,涂層主要以陰極保護作用為主。由于鋅粉含量較高,涂層孔隙率較大,因此浸泡后期腐蝕介質會進入涂層內部,涂層的阻抗值有明顯地下降。相關研究結果發表在ACS Appl. Nano Mater., 2019, 2, 180-190

  上述研究工作獲得中科院先導專項(XDA13040600)、浙江省重點研發計劃(2015C01006)和中科院青年創新促進會(2017338)的資助。

 

圖1 石墨烯改性環氧富鋅復合涂層的腐蝕保護機制

 

圖2 石墨烯改性環氧富鋅涂層的微觀腐蝕作用機制及不同腐蝕階段的等效電路圖

  

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