中國科學院研制成功石墨烯和磷酸鋯超級防腐涂層

海洋腐蝕問題是導致海上設備失效的主要原因之一，也是全球腐蝕的難題。二維材料，特別是石墨烯的發現為開發新型海洋設備重防腐涂層提供了新的思路。石墨烯具有單原子層結構及分子不可滲透性，被認為是最薄的防護材料。

然而，人工制備的石墨烯容易再團聚，無法充分發揮石墨烯單片層的優異特性。此外，石墨烯是導電碳材料，它具有較強的腐蝕促進活性。

團聚的石墨烯會加劇聚合物涂層的局部微電偶腐蝕導致涂層破損，而在破損處，石墨烯將極易誘發其自身的腐蝕促進活性，并以最快的速度釋放電子，加速金屬基體的腐蝕，這導致石墨烯在防腐領域的商業化和規模化應用進程極為艱難。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進涂料與粘合劑余海斌團隊針對石墨烯/聚合物復合防腐涂層在破損后加速金屬基體腐蝕這一隱患，采用氮化硼納米點（BNNDs）作為商業化石墨烯的分散劑，利用其原子結構和表面化學性能實現其在聚合物中的均勻分散。

通過化學方法獲得的BNNDs通常含有豐富的親水基團（如羧基和羥基）。這些親水基團可以在水中進行電離，賦予BNNDs優異的溶解性。BNNDs被認為是單層或半層絕緣氮化硼納米片，橫向尺寸小于50nm。BNNDs通過強烈的π-π作用吸附于石墨烯表面，以增加其分散性。同時，BNNDs的存在屏蔽了石墨烯的導電特性，有效抑制了其陰極腐蝕促進活性。

電化學測試表明，BNNDs改性的石墨烯材料具有優良的防護性能，復合涂層的腐蝕速率相對空白涂層下降了280倍，涂層電阻增加了2個數量級。鑒于BNNDs不會影響石墨烯的本征特性，因此，BNNDs分散石墨烯有望快速推進商業化石墨烯在防腐領域的應用。

另外，作為近幾年發展起來的另一種新材料——磷酸鋯，同樣可以用在防腐涂料中，提高防腐性能。華南理工大學發明公開了一種含片層狀磷酸鋯和碳納米管的海洋防腐粉末涂料，其通過耐鹽霧性能、耐濕熱性能和電化學性能測試證實其防腐性能有顯著提高。運用在高鹽霧，高濕熱，干濕交替、浸沒等環境的海洋工程材料涂裝中，能夠大幅度提高海洋工程材料的防腐蝕性能。

制備方法

1、 原料配方組成和質量分數如下：

聚酯樹脂65份(325g)；固化劑4.8份(24g)；磷酸鋯4.5份(22.5g)；碳納米管0.5份(2.5g)；顏料8.4份(42g)；填料15份(75g)；流平劑0.6份；光亮劑1份(5g)；固化促進劑0.2份(1g)。

2、其制備方法包括以下步驟：

（1）、根據上述原料配方，按質量用電子天平稱取各組分原料，充分攪拌均勻；

（2）、采用雙螺桿熔融擠出機熔融擠出經步驟（1）攪拌均勻的原料，擠出溫度控制在120℃，轉速控制在250r/min；

（3）、將步驟（2）中熔融擠出的原料冷卻，經粉碎機粉碎，旋風分離器篩分，得到粒徑為160目的成品粉末涂料。

防腐原理

1、采用具有納米片層狀結構的磷酸鋯作為填料。該類磷酸鋯片層狀結構穩定，機械強度很高，不溶于水和有機溶劑，具有較強的耐酸堿能力。將片層狀磷酸鋯引入到海洋防腐粉末涂料的配方中，片層狀結構層層堆疊可以大大的增加腐蝕介質的滲透路徑，有效阻止小分子腐蝕介質和氧化性物質的浸入，能起到很好的物理屏蔽作用。

2、采用具有超高導電性的碳納米管作為填料。碳納米管具有極佳的導電性能，其抗拉強度可達到50～200GPa，是鋼的100倍；硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，將其作為填料引入到海洋防腐粉末涂料中可賦予涂層優異的電子傳遞性能，陽極所產生的電子可以通過碳納米管網絡順利傳導到涂膜表面，使電化學腐蝕的陰極反應及反應產物由鋼制基材表面轉移到防腐涂層表面，有效減少基材表面腐蝕產物的堆積，抑制涂層的起泡脫落，最終提高了涂膜附著力的持久性和使用壽命。碳納米管同時可以明顯提高涂料的機械強度和韌性，進一步提高防腐涂料的附著力與硬度，提高涂料的使用壽命。

3、綜合利用磷酸鋯的物理屏蔽作用和碳納米管的機械性能與電荷傳導作用，開發含片層狀磷酸鋯和碳納米管的海洋防腐聚酯粉末涂料，顯著的提高了純聚酯海洋防腐粉末涂料的防腐性能，對高鹽霧，高濕熱海洋環境的金屬防腐涂料的發展起到較大的推動作用。

不管是石墨烯，還是磷酸鋯，針對防腐涂料的研發從未停止。開發出高性能防腐涂料產品，是海上設備不失效的關鍵。

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