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  金屬防腐涂層上的氣孔或劃痕，會(huì)導(dǎo)致局部腐蝕的產(chǎn)生，有可能加速金屬材料的疲勞失效，導(dǎo)致更嚴(yán)重的危害。近日，美國(guó)西北大學(xué)黃嘉興教授課題組提出了一種自修復(fù)涂層的新概念，發(fā)現(xiàn)了一種無(wú)需人為干涉，就可以自動(dòng)修復(fù)的膠囊增稠油膜涂料，有助于抑制局部腐蝕。相關(guān)成果以“Self-Healing Microcapsule-Thickened Oil Barrier Coatings”為題發(fā)表在《Research(DOI: 10.1155/2019/3517816)上。

局部腐蝕怎么辦？流體可以解決么？

  金屬防腐涂層上的氣孔或劃痕，會(huì)導(dǎo)致局部腐蝕的產(chǎn)生。與常見(jiàn)的均勻腐蝕相比，局部腐蝕較為隱蔽，很難防止和預(yù)測(cè)，也不易檢測(cè)，但是局部腐蝕的部位卻有可能成為金屬承重部件的應(yīng)力集中點(diǎn)，加速金屬材料的疲勞失效，導(dǎo)致更嚴(yán)重的危害。這一點(diǎn)，作者的研究小組，在2017年發(fā)表的一篇評(píng)述文章里【Nat. Nanotech., 2017, 12, 834】就特別做出過(guò)提醒，對(duì)陰極保護(hù)層（比如石墨烯膜）往往更容易加速局部腐蝕。

陰極涂層會(huì)加速局部腐蝕，可能產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)

  無(wú)需人為干涉，就可以自動(dòng)修復(fù)的保護(hù)層，應(yīng)該有助于抑制局部腐蝕。目前學(xué)術(shù)界已經(jīng)有好幾種自修復(fù)涂層的設(shè)計(jì)思想，比如使用具有可逆共價(jià)健的高分子材料，在微細(xì)裂紋產(chǎn)生時(shí)，通過(guò)加熱或者施加應(yīng)力，可以讓裂紋重新合上。又比如在涂層材料里面埋入含有液態(tài)聚合物單體的微球或毛細(xì)管，當(dāng)涂層破裂時(shí)，液態(tài)單體流出，在空氣里迅速聚合來(lái)修復(fù)裂紋。以上這些化學(xué)設(shè)計(jì)十分精巧，但是還無(wú)法實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的自修復(fù)性能，比如在完全沒(méi)有人為干擾下，快速而重復(fù)的讓劃痕（通常在毫米和亞毫米尺度）自動(dòng)修復(fù)。

  跳出現(xiàn)有的思維圈子，其實(shí)從生活中就可以找到關(guān)于制作自修復(fù)材料的靈感。中國(guó)詩(shī)詞里有一些大家耳熟能詳?shù)囊恍┘丫�，比如“抽刀斷水水更流”，或者“船過(guò)水無(wú)痕”，其實(shí)已經(jīng)告訴我們，流體本身就是絕佳的自修復(fù)材料。那我們可以用流體本身，比如油，來(lái)做金屬的自修復(fù)防腐保護(hù)層嗎？

生活中找到關(guān)于制作自修復(fù)材料的靈感

  沿著這個(gè)想法繼續(xù)推理，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)矛盾。低黏度的油，因?yàn)榭梢宰杂闪鲃?dòng)，的確具有非常優(yōu)異的自修復(fù)性能，但是也正是因?yàn)榭梢宰杂闪鲃?dòng)，它就無(wú)法形成穩(wěn)定的涂層。如果把油的黏度變大，比如常見(jiàn)的潤(rùn)滑脂，雖然可以形成穩(wěn)定的涂層，但因?yàn)槭チ肆鲃?dòng)性，也就失去了良好的自修復(fù)性能。
  使用油來(lái)做自修復(fù)涂層，有個(gè)莎士比亞風(fēng)格的難題。

自修復(fù)涂層新概念或可進(jìn)行緊急修復(fù)

  最近美國(guó)西北大學(xué)黃嘉興教授的研究小組，為解決這個(gè)矛盾提供了一個(gè)新思路。他們使用粒徑在微米到幾十微米之間的膠囊顆粒作為油的增稠劑，這些顆粒在油中形成網(wǎng)絡(luò)，可有效阻止油膜的整體流動(dòng)與收縮。當(dāng)油膜被劃損時(shí)，劃痕處的顆粒網(wǎng)絡(luò)破損，失去增稠效果，局部恢復(fù)流動(dòng)性的油便可迅速填滿劃痕，同時(shí)顆粒網(wǎng)絡(luò)得到重組，將油膜修復(fù)。在增稠材料方面，能被油浸潤(rùn)，重量又輕的膠囊是好的選擇。這項(xiàng)工作里比較了聚合物、氧化硅以及還原氧化石墨烯的膠囊，發(fā)現(xiàn)作者小組以前用氣溶膠方法制備出的石墨烯微膠囊【Chem. Comm., 2012, 48, 5968】效果最好。

微米級(jí)石墨烯膠囊顆粒在油中可形成網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到顯著增稠效果

  微膠囊增稠的油可以涂在各種復(fù)雜形狀的金屬表面，甚至可以從水下直接涂在金屬表面。在流動(dòng)的水里（流速約1 m/s）油膜也可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。由于油本身優(yōu)異的隔水性，這種膠囊增稠的油膜可以有效的保護(hù)金屬。下圖照片里是一個(gè)鋁箔折成的小船，底面尖銳的折角處一般不容易形成完整的涂層，往往會(huì)有細(xì)小的孔洞產(chǎn)生。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)增稠的油可以有效的保護(hù)這樣復(fù)雜形狀的表面。將載有染料的小船放置于鹽酸溶液里，直到鹽酸溶液全部揮發(fā)干凈，都沒(méi)有發(fā)生任何腐蝕反應(yīng)。值得一提的是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)涂層上的缺陷是特別敏感的，因?yàn)槿毕萏幇l(fā)生的局部腐蝕可以很快造成穿孔，讓小船里的染料滲漏出來(lái)。

涂有膠囊增稠油膜的鋁箔小船不受鹽酸溶液的腐蝕

  膠囊增稠油膜可以在空氣中、水下或者腐蝕溶液中幾秒鐘之內(nèi)就修復(fù)劃痕。也可以在同一位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)上百次的自修復(fù)。然而作者們并不期待這種新型涂層可以完全或者立即取代現(xiàn)有的防腐涂層�！�這是一個(gè)自修復(fù)涂料的新概念，也許可以對(duì)現(xiàn)有的防腐涂層體系提供一個(gè)補(bǔ)充，或在應(yīng)急修復(fù)的時(shí)候使用”。

膠囊增稠的油膜涂層可在數(shù)秒內(nèi)快速修復(fù)劃痕

  前面莎翁風(fēng)格的那個(gè)問(wèn)題，終于有了答案。

  論文鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2019/3517816/