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寧波材料所在海洋重防腐涂層界面改性與二維片層結構定向排布調控方面取得新進展
作者:,日期:2020-07-03

  有機高分子防護涂層是目前應用最廣泛、最有效的工程與裝備防腐策略之一。但在苛刻海洋環境長效服役過程中,腐蝕性介質(如H2O,O2,Cl-等)會對高分子涂層產生很強的滲透性,從而導致涂層的界面剝離并引發基材發生嚴重腐蝕。具有高縱橫比的二維片層納米填料,如石墨烯、氮化硼以及層狀雙氫氧化物等薄片,由于其優異的阻隔性能、良好的化學穩定性和抗氧化性能等,可以有效延長腐蝕介質的擴散路徑并改善有機高分子涂層的抗滲透性以增強其長效耐腐蝕性能。其中在二維片層材料改性新型重防腐涂層體系中,二維片層材料在高分子樹脂中的定向排布與優化調控問題一直是該領域急需突破的核心技術。

  中國科學院海洋新材料與應用技術重點實驗室所屬海洋功能材料團隊通過調控石墨烯的排列取向并消除石墨烯電負性的影響,獲得了長效耐蝕涂層。團隊利用多巴胺氧化自聚合和離子化反應獲得一種新型陽離子石墨烯(DRGO+)納米片。由于石墨烯表面包覆的多巴胺中的-NH3+存在,新型陽離子DRGO+納米片在水性環氧樹脂中具有優異的分散性,且在外加電場作用下能自對齊平行排列在有機涂層內(圖1)。這種層層排列的納米片能充分發揮石墨烯的阻隔作用極限,顯著延長腐蝕介質擴散路徑,從而降低有機涂層的腐蝕速率。此外,新型陽離子DRGO+納米片表面的-NH3+能吸附電子和Cl-,切斷局部電偶腐蝕,在鋼表面形成致密鈍化層(Chemical Engineering Journal, 2020, 389:124435)。另外,團隊通過多面體低聚倍半硅氧烷(POSS)和低聚物改性石墨烯,制備了具有強疏水性、優異分散性和低電導率的納米片,抑制金屬基材腐蝕的同時,展現出優異的阻隔性能,從而獲得長效耐磨耐蝕復合涂層(Chemical Engineering Journal, 2020, 383:123160;Corrosion Science, 2020, 168:108555)。

  團隊還通過酸化震蕩和離子交換法成功設計了一種具有NO2-夾層的MgAl-NO2層狀雙氫氧化物(LDH)二維納米片。LDH的主層壓板表面包含大量羥基,可以提高納米填料對有機樹脂的親和力。當將LDH納米片添加到涂層中時,其薄片結構能顯著提升有機涂層的阻隔性能。此外,LDH具有優異的離子交換能力,其層間NO2-通過靜電力與主層壓體連接,當腐蝕性Cl-到達納米片表面時可進行離子交換并作為Cl-的儲存站,同時,負載的亞硝酸根離子被釋放出來,鈍化金屬表面(圖2)。結果表明,阻隔性能的提升和金屬表面鈍化的協同作用顯著增強了有機高分子涂層的長效耐蝕性能(Journal of Hazardous Materials, 2020, 391:122215)。

  上述研究工作獲得了國家杰出青年科學基金、浙江省重點研發計劃等的資助。

圖1 (a) 新型陽離子DRGO+納米片制備過程示意圖;不同DRGO+含量涂層內部石墨烯排列分布圖:(b) 0.25%, (c) 0.5%, (d) 1.0%

圖2 LDH復合涂層腐蝕防護機制

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