石墨烯是一種二維納米材料，具有良好的力學(xué)性能、高的長徑比及優(yōu)異的阻隔性能，近年來在有機(jī)腐蝕防護(hù)涂層領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。然而，由于石墨烯和涂層基體樹脂的界面相容性差而導(dǎo)致涂層微孔、微裂紋等缺陷以及由于石墨烯的高導(dǎo)電性可能引起電偶腐蝕限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。
目前石墨烯改性有機(jī)防腐涂層研究大多是利用石墨烯的物理屏障作用提高復(fù)合涂層的被動防腐能力，無法滿足涂層在復(fù)雜工況條件下的長期使用需求。針對這一問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋功能材料團(tuán)隊王立平研究員和趙海超研究員指導(dǎo)的博士生劉成寶等設(shè)計了系列功能化石墨烯以解決涂層微區(qū)缺陷引發(fā)的腐蝕反應(yīng)。通過共價法將綠色緩蝕劑咪唑基離子液體引入到石墨烯表面得到離子液體功能化石墨烯。該功能化石墨烯可均勻分散在水性樹脂中，同時具備一定的緩蝕性，可有效抑制缺陷界面處金屬腐蝕反應(yīng)，大大增強(qiáng)涂層的防護(hù)性能 (Nanoscale, 2018, 10, 8115–8124)。為避免石墨烯-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，他們將天然緩蝕劑組氨酸接枝到石墨烯片層中，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（ACS Appl. Nano Mater. 2018, 1, 1385-1395）。
圖1 (a)納米容器制備及緩蝕劑負(fù)載示意圖，(b)緩蝕劑在不同條件下的釋放過程圖，(c)納米容器及 (d)負(fù)載緩蝕劑的納米容器在涂層中的分布圖，(e)各涂層體系的氧氣滲透率
為深入探究涂層微區(qū)缺陷處電化學(xué)反應(yīng)過程及腐蝕行為抑制機(jī)理，研究人員制備了一種石墨烯納米容器及納米容器增強(qiáng)自修復(fù)涂層。利用納米容器中環(huán)糊精分子與緩蝕劑間的主客體相互作用，實(shí)現(xiàn)緩蝕劑分子的負(fù)載。納米容器中緩蝕劑的釋放過程表現(xiàn)出pH響應(yīng)性。依靠石墨烯的阻隔特性，該納米容器一方面可降低腐蝕介質(zhì)的滲透速率，增強(qiáng)涂層的被動防腐能力。另一方面，當(dāng)涂層產(chǎn)生缺陷后，缺陷處的腐蝕反應(yīng)誘導(dǎo)納米容器中緩蝕劑的釋放，并及時在缺陷處吸附成膜，阻止腐蝕反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，表現(xiàn)出一定的自修復(fù)性能。相關(guān)工作已發(fā)表在ACS Applied Material & Interfaces, 2018（DOI: 10.1021/acsami.8b11108）并申請了發(fā)明專利（PCT/CN2018/100812.）
圖2 (a)純環(huán)氧涂層，(b)納米容器環(huán)氧復(fù)合涂層，(c)負(fù)載緩蝕劑的納米容器環(huán)氧復(fù)合涂層缺陷處局部電化學(xué)阻抗分布圖
上述研究工作獲得了中科院百人計劃（Y60707WR04）、中科院前沿科學(xué)研究計劃（QYZDY-SSW-JSC009）、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)（XDA13040601）以及浙江省石墨烯重大科技專項(xiàng)（2015C01006）的資助。
論文鏈接：
- 青島大學(xué)曲麗君教授課題組：電泳沉積法石墨烯改性聚酰胺織物制備及性能研究 2018-04-25
- 中科院新型石墨烯改性重防腐涂料研究取得重大突破 2017-09-18
