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金屬材料的腐蝕問(wèn)題廣泛地存在于工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生活中，據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界因腐蝕報(bào)廢的金屬約一億噸/年，占年產(chǎn)量的 20%~40%。同時(shí)，由于工業(yè)環(huán)境非常苛刻且具有較強(qiáng)的腐蝕性，金屬材料在長(zhǎng)期服役過(guò)程中面臨嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，這將降低其使用過(guò)程中的安全性和服役壽命，對(duì)整個(gè)社會(huì)發(fā)展具有極大的負(fù)面效應(yīng)，甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡、環(huán)境污染、資源浪費(fèi)。

近日，江西理工大學(xué)的年輕教師葉育偉博士針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合石墨烯的抗?jié)B透性及負(fù)載能力，設(shè)計(jì)出了一種兼具主動(dòng)與被動(dòng)防護(hù)的智能型防腐涂層，大幅提高了涂層在腐蝕環(huán)境下的適應(yīng)能力及服役壽命。相關(guān)論文以題為“Corrosion protective mechanism of smart graphene-based self-healing coating on carbon steel”在Corrosion Science上發(fā)表。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108825

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(zhǎng)徑比及優(yōu)異的抗?jié)B透性能，近年來(lái)在有機(jī)涂層腐蝕防護(hù)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。目前，利用石墨烯的物理阻隔性能來(lái)提高涂層被動(dòng)防腐能力的研究已經(jīng)取得初步進(jìn)展，但涂層在服役過(guò)程中難免產(chǎn)生破損或內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致腐蝕性介質(zhì)滲透，嚴(yán)重縮短了涂層的使用壽命。因此，涂層破損的自修復(fù)行為與機(jī)理是研究的熱點(diǎn)。石墨烯通過(guò)接枝某些功能基團(tuán)可以實(shí)現(xiàn)涂層的自修復(fù)功能，主要表現(xiàn)為在涂層缺陷處所裸露的金屬表面形成致密的鈍化膜或吸附膜，從而起到對(duì)缺陷處金屬的腐蝕防護(hù)作用。

本文作者通過(guò)八氨基-POSS、多聚甲醛與氧化石墨烯(GO)之間的交聯(lián)反應(yīng)，合成了具有多孔骨架結(jié)構(gòu)的石墨烯基納米容器，然后將苯并三唑(BTA)緩蝕劑負(fù)載于多孔結(jié)構(gòu)中，并分散至環(huán)氧涂層中形成智能防護(hù)涂層。通過(guò)氮?dú)馕?解吸曲線及差示掃描量熱法分析發(fā)現(xiàn)，石墨烯基納米容器的孔徑約為10~80nm，BTA的負(fù)載量約為18.6%。在局部酸性或堿性環(huán)境的刺激下，石墨烯基納米容器所負(fù)載的BTA緩蝕劑會(huì)被釋放出來(lái)，在金屬表面形成吸附層，進(jìn)而抑制腐蝕介質(zhì)的滲透。此外，通過(guò)局部電化學(xué)阻抗技術(shù)分析涂層微區(qū)缺陷處的自修復(fù)行為發(fā)現(xiàn)，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，智能防護(hù)涂層微區(qū)缺陷處的導(dǎo)納逐漸降低，腐蝕區(qū)域逐漸縮小，進(jìn)一步證明了其優(yōu)異的自修復(fù)性。

總的來(lái)說(shuō)，作者在石墨烯優(yōu)異的抗?jié)B透性基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)多孔骨架結(jié)構(gòu)，制備了石墨烯基納米容器。受益于納米容器多孔骨架結(jié)構(gòu)，將緩蝕劑BTA負(fù)載于孔中，并分散至環(huán)氧涂層中，實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕的主動(dòng)與被動(dòng)防護(hù)，為后續(xù)智能化防護(hù)涂層的研發(fā)提供了重要的參考。

圖1石墨烯基納米容器的制備過(guò)程和BTA的負(fù)載

圖2 (a)原始GO和(b)石墨烯基納米容器的SEM圖像; (c)原始GO和(d)石墨烯基納米容器的TEM圖像; (e)原始GO和(f)石墨烯基納米容器的SPM圖像; (g)原始GO和(h)石墨烯基納米容器的厚度

圖3 (a)原始GO和(c)石墨烯基納米容器的氮吸附-解吸曲線; (b)原始GO和(d)石墨烯基納米容器的孔體積

圖4 BTA的釋放動(dòng)力學(xué)曲線

圖5 (a, b, c)EP, (d,e, f)8-PG/EP和(g, h, i)8-PG-BTA/EP涂層在微區(qū)缺陷處的導(dǎo)納變化

圖6 (a1, a2, a3)EP, (b1,b2, b3)8-PG/EP和(c1, c2,c3)8-PG-BTA/EP涂層的EIS數(shù)據(jù); (d, e)等效電路

圖7 (a)浸泡過(guò)程中涂層的氧氣滲透系數(shù)和(b)吸水率