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天津大學汪懷遠團隊 CEJ：一種具有優(yōu)異多功能長效水性防腐涂層

2023-02-24 來源：高分子科技

金屬腐蝕在工業(yè)上是一種普遍存在的現(xiàn)象，在世界范圍內(nèi)會造成巨大的經(jīng)濟損失、嚴重的環(huán)境污染問題以及未知的安全隱患。因此，已采用多種策略提高金屬耐腐蝕性，包括陰極保護、陽極鈍化、表面涂層技術、緩蝕劑等。目前，表面涂層技術作為一種經(jīng)濟且高效的防護“外衣”手段受到廣泛關注和研究。表面涂層技術中環(huán)氧樹脂因其優(yōu)異的耐腐蝕性、化學穩(wěn)定性和電絕緣性等而被廣泛應用。然而，傳統(tǒng)溶劑型環(huán)氧在使用過程成會產(chǎn)生大量揮發(fā)性有機化合物（VOCs），對人體健康和環(huán)境安全造成一定的威脅。近年來，綠色環(huán)保的水性環(huán)氧涂料逐步取代傳統(tǒng)溶劑型環(huán)氧涂料。水性涂料雖具有低VOCs，優(yōu)異的附著力等優(yōu)勢。但水性環(huán)氧涂料中親水基團較多，容易形成極性通道，會降低涂料的耐水性。此外，水性涂料在交聯(lián)固化過程中，會產(chǎn)生許多的微孔和缺陷。這些均會加速腐蝕介質(zhì)的滲透，降低防腐性能。因此，提高水性涂料的長效防腐性能至關重要。

圖1 (L) “六邊形戰(zhàn)士”性能圖文摘要；（R）JNS合成工業(yè)流程及JNS/WEP制備流程

針對上述問題，天津大學汪懷遠教授團隊成功制備一種具有兩親性的二維片狀二氧化硅Janus（JNS）填料，采用噴涂技術成功制備一種結合物理阻隔、界面增強以及主動保護的多重協(xié)同防腐功能的新型長效水性防腐涂層。通過前期文獻調(diào)研及實驗條件摸索，作者成功通過溶膠-凝膠反應，利用界面誘導自組裝一步合成JNS，制備工藝簡單，合成路線綠色環(huán)保。將JNS引入水性環(huán)氧樹脂（WEP）中，制備新型水性JNS/WEP涂層，充分發(fā)揮JNS的優(yōu)勢，一方面利用親水端與環(huán)氧基團發(fā)生反應減少親水基團數(shù)量同時改善界面相容性；另一方面，借助疏水基團提高涂層耐水性。同樣，發(fā)揮片狀JNS的物理阻隔優(yōu)勢，減少水、氧的透過性，抑制碳鋼表面電化學腐蝕，形成復合鈍化膜。最終，在3.5wt%NaCl溶液中浸泡130天，1.0% JNS/WEP涂層的阻抗模量達10¹⁰ohm cm²以上，具有長效防腐能力。

近日，上述研究成果以“A multifunctional and long-term waterborne anti-corrosion coating with excellent ‘hexagonal warrior’ properties”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，論文的第一作者為天津大學化工學院碩士研究生裴魯超，通訊作者為天津大學化工學院汪懷遠教授。

基于Janus具有各向異性、表面可修飾性和形貌多樣性，作者首先通過SEM、FT-IR、XPS、TGA、等表征JNS的成功制備，其次進行水接觸角、乳化性實驗證明JNS的兩親性及乳化性能；通過粘附力、吸水率、耐磨、自修復等實驗直接驗證JNS的引入有效提高WEP涂層各個性能；并通過EIS、鹽霧數(shù)據(jù)，XPS以及拉曼等實驗結合性能分析詳細闡述防腐蝕機理。下面是文章部分相關表征和性能展示。

圖2 (a-b) AJN和JNS形貌；(c) JNS和AJN的TGA；(d-e) JNS的XPS分析

圖3 JNS和AJN的(a) FT-IR；(b) XRD；(c) JNS的TEM；(d-e) JNS和AJN的Mapping

圖4 (a) WEP；(b) AJN/WEP；(c) 1.5% JNS/WEP；(d) 1.0% JNS/WEP和(e) 0.25% JNS/WEP涂層在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡130天的Bode和Nyquist圖

圖5 EIS等效電路模擬

圖6 (a)耐磨性實驗示意圖；(b)不同涂層磨損循環(huán)后的磨損損失

在這項工作中，利用溶膠-凝膠成功合成JNS，并將其引入WEP中充分利用Janus優(yōu)點，形成具有多種協(xié)同腐蝕保護的堅固、環(huán)保的水性涂料。經(jīng)過130天3.5wt% 的NaCl溶液浸泡，JNS/WEP涂層的|Z|_0.01H_z仍保持在10¹⁰ohm cm²以上，比WEP涂層高2個數(shù)量級。主要得益于JNS/WEP涂層保護機制（1）片狀Janus能有效延長腐蝕路徑，起到一定的物理屏障作用；（2）Janus填料的疏水端有效提高涂層的耐水性；（3）Janus的親水端在改善填料分散性的同時，提高填料與樹脂間的交聯(lián)密度，減少涂層內(nèi)部缺陷，增強界面相互作用；（4）發(fā)揮JNS/WEP涂層的高阻隔性優(yōu)勢，降低水、氧滲透性，抑制電化學/化學腐蝕以及能與Fe³⁺配位共同形成致密的復合鈍化膜。四重保護機制協(xié)同防護，共同提高涂層的防腐蝕性能。此外，經(jīng)過測試JNS/WEP涂層的自修復性、耐磨性、疏水性、粘附性以及界面相容性均有所提高，形成一個具有“六邊形戰(zhàn)士”性能的綜合水性防腐涂層。這一工作有望為制備高性能水性防腐涂料提供新思路，以及拓寬Janus應用領域，促進多領域跨學科交叉融合發(fā)展。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141158

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（責任編輯：xu）

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