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石墨烯改性及在有机涂层中的形态

2024-04-3065

一直以来,金属的腐蚀都是令各国头疼的问题,每年都会对经济造成巨大损失,最常见的防腐措施就是在其表面喷涂有机涂层。石墨烯作为填料加入到有机涂层中,可利用其纳米片层结构阻隔腐蚀物质渗透,但由于其在聚合物基体中分散性不好,具有团聚倾向,因而不能完全发挥其阻隔性能。同时石墨烯具有的导电性会使外界腐蚀介质与金属基体之间形成微导电通路,反而加速基体腐蚀,导致石墨烯改性有机涂层在短期有效,但在长期的耐腐蚀过程中表现不足。因此石墨烯在有机涂层中的形态控制是影响石墨烯/聚合物复合涂层防腐性能的关键因素,探究如何提高石墨烯的分散性和定向取向来增强涂层的耐腐蚀性是需要进一步攻克的难题。

从能带结构上看,石墨烯是零带隙材料,具有导电性,因此在作为防腐填料使用时已发现以下问题: (1)石墨烯添加量的控制十分严苛。少量的石墨烯可以优化树脂组装结构,提高有序度,起到有效防腐作用,但是过量石墨烯的加入会导致石墨烯自身形成微导电通路,使得外界腐蚀介质与金属基体连通,反而加速基体腐蚀。(2)石墨烯能够提供有效的短期氧化保护,但在长时间尺度上,它促进了比最初裸露、未受保护的金属表面更广泛的腐蚀。这是因为从电化学电位角度来看,相对于大多数金属石墨烯是阴极性的,使得暴露的石墨烯-金属界面易腐蚀,进而加速危险的局部腐蚀。只要该涂层出现轻微裂纹或划痕,就会加速局部的电化学腐蚀,使得暴露区域的腐蚀速率大大加快,并降低金属的强度和韧性等性能。因此,石墨烯作为填料加入到有机涂层中时,想要更大程度发挥其阻隔性能,并避免导电通路的形成,控制石墨烯在有机涂层中的形态是关键,探究如何提高石墨烯的分散性和定向取向来增强涂层的耐腐蚀性是需要进一步攻克的难题。

石墨烯的分散

 石墨烯片层之间有很强的范德华力,易在基体中团聚,难以分散均匀,因此解决其团聚问题很关键,通常做法是对石墨烯进行改性,提高其与基体之间的相容性,一般采用有机小分子、聚合物、无机纳米颗粒等改性石墨烯。如硅烷类偶联剂,有机胺类小分子;聚苯胺,聚醚胺,聚乙烯亚胺,聚多巴胺;以及氧化铝,四氧化三铁,二氧化硅等等。

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1 聚苯胺链以氢键或π-π共轭的方式沉积在氧化石墨烯表面


石墨烯的取向

       改善GO(氧化石墨烯)的分散性是为了提高涂层对腐蚀性离子的阻隔性能,但如GO在涂层中没有更大程度地平行于金属基材表面排列,而是随意取向甚至垂直取向排列,不仅会降低对腐蚀性物质的阻隔作用,甚至容易相互连接形成导电网络,当腐蚀发生时反而加快腐蚀反应。因此研究GO在聚合物基体中的取向非常必要。可以采用磁场诱导石墨烯取向;电场诱导石墨烯取向;力场诱导石墨烯取向以及层层自组装法(通过在带电基板上交替沉积带相反电荷的聚电解质来制备聚电解质自组装多层膜)。

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2 氧化石墨烯在电场作用下的取向排列

     目前石墨烯的阻隔作用是广大学者普遍认同的防腐机理,然而石墨烯的分散性和取向是影响发挥其阻隔性能的关键因素,对提高石墨烯在涂层中分散性的研究有很多,但难以实现工业化,因此寻找简单方便、成本低和高效的改性方法是未来要解决的问题之一。其次对于如何控制石墨烯纳米片在聚合物基体中取向排列的研究还很少,关于其取向排列的理论也不够完善,本文提到的电场、力场和磁场等方法在实际应用中也难以形成规模。但是相信随着对石墨烯改性防腐涂料研究的进一步深入,这些问题都将得到解决,石墨烯在防腐领域的发展前景是不可估量的。

 

 

 

 

 

摘录自《材料导报》第37卷第17期,如有侵权请告知删除。