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(dǎo)電導(dǎo)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(fù)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(dǎo)率的還原氧化石墨烯（rGO）和低電導(dǎo)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(fù)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(fù)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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。

圖1 石墨烯改性環(huán)氧富鋅復(fù)合涂層的腐蝕保護機制

圖2 石墨烯改性環(huán)氧富鋅涂層的微觀腐蝕作用機制及不同腐蝕階段的等效電路圖

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責任編輯：殷鵬飛