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甯波材料所在推進石墨烯超級防腐塗層領域取得進展
日期:2019-06-19, 查看:121 字體大小:

       海洋腐蚀问题是导致海上设备失效的主要原因之一,也是全球腐蚀的难题。二维材料,特别是石墨烯的发现为开发新型海洋设备重防腐涂层提供了新的思路。石墨烯具有单原子层结构及分子不可渗透性,被认为是最薄的防护材料。然而,人工制备的石墨烯容易再团聚,无法充分发挥石墨烯单片层的优异特性。此外,石墨烯是导电碳材料,它具有较强的腐蚀促进活性。团聚的石墨烯会加剧聚合物涂层的局部微电偶腐蚀导致涂层破损,而在破损处,石墨烯将极易诱发其自身的腐蚀促进活性,并以最快的速度释放电子,加速金属基体的腐蚀,这导致石墨稀在防腐领域的商业化和规模化应用进程极为艰难。

  中國科學院甯波材料技術與工程研究所先進塗料與粘合劑余海斌團隊針對石墨烯/聚合物複合防腐塗層在破損後加速金屬基體腐蝕這一隱患,采用氮化硼納米點(BNNDs)作爲商業化石墨烯的分散劑,利用其原子結構和表面化學性能實現其在聚合物中的均勻分散(圖1)。通過化學方法獲得的BNNDs通常含有豐富的親水基團(如羧基和羟基)。這些親水基團可以在水中進行電離,賦予BNNDs優異的溶解性。BNNDs被認爲是單層或半層絕緣氮化硼納米片,橫向尺寸小于50nm。BNNDs通過強烈的π-π作用吸附于石墨烯表面,以增加其分散性。同時,BNNDs的存在屏蔽了石墨烯的導電特性,有效抑制了其陰極腐蝕促進活性(圖2)。電化學測試表明,BNNDs改性的石墨烯材料具有優良的防護性能,複合塗層的腐蝕速率相對空白塗層下降了280倍,塗層電阻增加了2個數量級。鑒于BNNDs不會影響石墨烯的本征特性,因此,BNNDs分散石墨烯有望快速推進商業化石墨烯在防腐領域的應用。

  相關工作發表在ACS Sustain. Chem. Eng. 2019. DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b01796 (Super-anticorrosive graphene nanosheets through π deposition of boron nitride nanodots),并获得宁波市重点研发项目(2019C02073)的资助。

图1 (a)BNNDs在石墨烯表面的沉积过程,(b)BNNDs@GNs複合片,(c)BNNDs及石墨烯的分散行爲,(d)改性石墨烯聚合物塗層的屏蔽性

 

图2 不同涂层体系的腐蚀机理:(a)纯环氧涂层,(b-e)改性前后的石墨烯/环氧涂层

  (表面事业部 丁纪恒)

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