寧波材料所研究發(fā)現(xiàn)石墨烯ZRE-rGO涂層防腐性能極佳

寧波材料所研究發(fā)現(xiàn)石墨烯ZRE-rGO涂層防腐性能極佳

石墨烯，一種由碳原子以sp2雜化連接形成六角型呈蜂巢晶格的平面2D材料，不僅是最堅硬的材料，同時還是防腐涂層領(lǐng)域已知的最薄的一種（一根頭發(fā)絲的直徑約是10萬層石墨烯疊加起來的厚度）。

石墨烯比表面積大、機械性能好、化學穩(wěn)定性高、熱力學穩(wěn)定，并且它獨特的二維片層結(jié)構(gòu)可以在涂層中形成迷宮式物理屏障隔絕腐蝕因子，對金屬提供長效保護，同時又可以構(gòu)建導電導熱通道。石墨烯改性防腐涂料具有防腐效果佳、涂層厚度低、附著力高、漆膜重量輕、耐鹽霧性能優(yōu)異等優(yōu)勢，其在防腐涂料領(lǐng)域中的科學問題和應(yīng)用推廣近年來引起科研工作者的廣泛興趣和高度關(guān)注。



我國在石墨烯涂料領(lǐng)域研究起步較早，目前無論在基礎(chǔ)研究還是工程應(yīng)用領(lǐng)域都已取得一些重要成果。當前石墨烯在涂料中最為熟知的防腐機制為物理屏蔽效應(yīng)和鋅激活機制，研究工作主要關(guān)注石墨烯添加量變化與涂層防腐性能之間的“構(gòu)-效”關(guān)系。然而，涂層的腐蝕防護與失效是一個長期的、動態(tài)的、復雜的過程，石墨烯的本征結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)和服役階段等因素均對其防腐機制有重要的影響，需要進一步深入細致的進行研究。



中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋功能材料團隊通過Hummers法和還原反應(yīng)制備了具有高電導率的還原氧化石墨烯（rGO）和低電導率的氧化石墨烯（GO），系統(tǒng)研究了rGO、GO和rGO/GO改性環(huán)氧富鋅（ZRE）復合涂層的腐蝕防護行為。結(jié)果表明，與ZRE涂層相比，在加入rGO后ZRE涂層的陰極保護時間和物理阻隔性能均大幅提升，ZRE-rGO涂層表現(xiàn)出最佳的防腐性能。一方面，rGO顯著改善了鋅顆粒與基體的電接觸，最大限度地發(fā)揮了鋅顆粒的作用；另一方面，rGO同樣具有優(yōu)異的物理阻隔特性，大大延長了腐蝕介質(zhì)的擴散路徑，從而提高了復合涂層的腐蝕保護壽命。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Materials and Design,2019,169,107694。



該團隊利用聚苯胺作為石墨烯的分散劑，制備了系列石墨烯-環(huán)氧富鋅復合涂料。研究發(fā)現(xiàn)對于不含有鋅粉的涂層表現(xiàn)為單一的屏蔽保護機制；對于含有鋅粉的涂層，由于石墨烯優(yōu)異的導電性，涂層中更多的鋅粉被活化，鋅含量為40wt%和55wt%的涂層（G-40ZRC，G-55ZRC）前期表現(xiàn)出短暫的陰極保護作用，隨后進入屏蔽作用階段。由于鋅粉含量較傳統(tǒng)的環(huán)氧富鋅涂層有顯著地下降，使涂層的孔隙率降低，到浸泡結(jié)束，涂層一直保持較高的阻抗值。鋅粉含量為70wt%和85wt%的涂層（G-70ZRC，G-85ZRC），鋅粉含量較高，并且石墨烯的加入有利于涂層內(nèi)部導電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑，涂層主要以陰極保護作用為主。由于鋅粉含量較高，涂層孔隙率較大，因此浸泡后期腐蝕介質(zhì)會進入涂層內(nèi)部，涂層的阻抗值有明顯地下降。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在ACS Appl.Nano Mater.,2019,2,180-190。



上述研究工作獲得中科院先導專項（XDA13040600）、浙江省重點研發(fā)計劃（2015C01006）和中科院青年創(chuàng)新促進會（2017338）的資助。



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“以前冬天用電暖器采暖，費用高，易損壞，今年我們可趕上時髦啦，公共空間4成用上了新能源石墨烯，市民們稀奇，我們也很自豪呢！”說起這一新鮮采暖玩意兒，平城區(qū)環(huán)衛(wèi)處工作人員楊靖神采飛揚。



寧波材料所研究發(fā)現(xiàn)石墨烯ZRE-rGO涂層防腐性能極佳



11月5日，記者在位于平城區(qū)金盾街的公共空間內(nèi)看到，該公共空間的過道、男女衛(wèi)生間等7個功能區(qū)域都安裝使用了新型壁掛式石墨烯散熱器，外觀輕薄簡潔、美觀大方，室內(nèi)暖意融融、溫暖如春。



“這幾天很多市民發(fā)現(xiàn)了這個新變化，知道了新材料石墨烯，有的還專門來瞧新鮮呢。”負責打掃公共空間的環(huán)衛(wèi)工人笑著說。



據(jù)了解，這一新事物走進平城區(qū)公共空間是在10月底，眼看天氣轉(zhuǎn)冷，公共空間取暖提上議事日程，變革由此開啟。



平城區(qū)環(huán)衛(wèi)處副處長曹峻峰介紹說，該區(qū)近年來共建了100多座城市公共空間，但受種種客觀原因所致，許多公共空間冬季采暖只能用電暖氣，費用較高易損壞。前段時間平城區(qū)環(huán)衛(wèi)處組織干部職工參觀能博會，許多人第一次知道了石墨烯這個新名詞，聽說了這個“神奇材料”的諸多功能，不想一轉(zhuǎn)眼，這個新材料就用到了自己身邊。



石墨烯是從石墨中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，有著眾多獨一無二的特性，在目前自然界中最薄、最結(jié)實，導電性極好。石墨烯遠紅外散熱器里面有一層極薄的石墨烯膜，一插電即熱，然后通過內(nèi)部的一層反射保溫層，以輻射散熱形式達到采暖效果。



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據(jù)介紹，目前平城區(qū)已有40個城市公共空間用上了石墨烯遠紅外散熱器。記者注意到，一個壁掛式石墨烯散熱器包括外框僅約2厘米厚。平城區(qū)環(huán)衛(wèi)處工作人員楊靖說，“散熱器可根據(jù)每個房間的朝向、面積大小等設(shè)計選擇，外層使用抗氧化材料并配合造型設(shè)計，兼顧了使用功能與裝飾美觀?！毕乱徊剑€將推出配有大同古都特色的外觀圖文，真正讓城市公共空間成為宣傳大同能源革命的又一張新名片。

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