二維材料-聚合物復(fù)合涂層的防腐性能研究.pdf

1、傳熱壁面的腐蝕問(wèn)題是導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備失效的主要原因，也是腐蝕界的難題之一。二維材料的發(fā)現(xiàn)為開(kāi)發(fā)新型換熱設(shè)備防腐涂層提供了新的機(jī)遇。二維材料不僅具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能，而且種類繁多，其中最具代表性的是石墨烯及類石墨烯材料。石墨烯具有單原子層結(jié)構(gòu)及分子不可滲透性，近年來(lái)在防腐領(lǐng)域倍受關(guān)注，被認(rèn)為是“最薄”的防護(hù)材料。然而，石墨烯是導(dǎo)電碳材料，它具有較強(qiáng)的“腐蝕促進(jìn)活性”，破損失效的石墨烯/聚合物復(fù)合防腐涂層可能誘發(fā)石墨烯-金屬基體間的

2、“微電偶腐蝕”并加劇金屬基體的腐蝕，這極大地限制了石墨烯的防腐應(yīng)用。類石墨烯二維材料具有與石墨烯類似的抗?jié)B透性，但是目前對(duì)類石墨烯材料防護(hù)性能和“腐蝕促進(jìn)活性”的研究還十分缺乏。為了推進(jìn)二維材料在換熱設(shè)備防腐領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，本論文以石墨烯加速金屬基體腐蝕這一問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，提出了絕緣改性抑制石墨烯“腐蝕促進(jìn)活性”和開(kāi)發(fā)絕緣或半導(dǎo)體類石墨烯材料防腐兩種策略，研究了所制備材料作為防腐填料的性能，深入分析揭示了填料“腐蝕促進(jìn)活性”及其抑制機(jī)理

3、，并給出了半導(dǎo)體防腐材料的選材依據(jù)，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)“鈍化”石墨烯/聚合物復(fù)合涂層的防腐性能及其“腐蝕促進(jìn)活性”抑制機(jī)理研究。借助原位改性技術(shù)，分別采用苯胺、正硅酸乙酯和3-氨丙基三乙氧基硅烷對(duì)石墨烯進(jìn)行絕緣改性，制備了系列低導(dǎo)電的“鈍化”石墨烯材料。研究發(fā)現(xiàn)，包覆在石墨烯表面的絕緣改性材料與石墨烯形成了三明治結(jié)構(gòu)，阻斷了石墨烯和金屬基體或石墨烯之間的電連接，有效地防止了石墨烯-金屬基體間的微電偶腐蝕，使得“鈍

4、化”石墨烯/聚乙烯醇縮丁醛(PVB)復(fù)合涂層在破損后不會(huì)加速金屬基體的腐蝕，實(shí)現(xiàn)了石墨烯“腐蝕促進(jìn)活性”的抑制。與此同時(shí)，通過(guò)選擇不同絕緣改性“鈍化”材料和工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維材料徑厚比、相容性的調(diào)控。而且，“鈍化”石墨烯材料呈現(xiàn)鱗片結(jié)構(gòu)，絕緣包覆改性增加了石墨烯材料的剛度，它比未經(jīng)改性的石墨烯更易在涂層中鋪展和分散、更能增強(qiáng)腐蝕介質(zhì)在涂層中滲透的迷宮效應(yīng)，而且可以使PVB涂層的電阻提升4～6數(shù)量級(jí)、腐蝕實(shí)驗(yàn)壽命延長(zhǎng)至少20倍。絕緣改性的

5、“鈍化”石墨烯策略普遍適用于可以在石墨烯表面吸附的分子，它不僅為解決石墨烯防腐應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題提供了新思路，也為開(kāi)發(fā)高效協(xié)同導(dǎo)熱與防護(hù)性能的石墨烯基復(fù)合涂層提供了理論和技術(shù)支撐。
　　(2)類石墨烯/聚合物復(fù)合涂層的防腐性能研究及其“腐蝕促進(jìn)活性”機(jī)理研究。采用液相剝離技術(shù)制備了三種多層結(jié)構(gòu)的類石墨烯納米片:h-BN納米片(BNNSs)、WS2納米片(TDNSs)和MoS2納米片(MDNSs)。研究發(fā)現(xiàn)，在PVB涂層中僅混入1.0w

6、t.％納米片可使涂層電阻提升了4～6個(gè)數(shù)量級(jí)，且經(jīng)納米片改性后的復(fù)合涂層在劃傷后不會(huì)加速金屬基體的腐蝕，沒(méi)有表現(xiàn)出“腐蝕促進(jìn)活性”，表明開(kāi)發(fā)絕緣和半導(dǎo)體類石墨烯二維材料代替石墨烯作為防腐材料以避免“腐蝕促進(jìn)活性”隱患是可行的?；趯?duì)金屬與填料間的電子傳遞阻力和填料表面陰極反應(yīng)消耗電子速率兩個(gè)方面影響因素的進(jìn)一步深入分析，揭示了類石墨烯填料“腐蝕促進(jìn)活性”的本質(zhì)，提出了以功函數(shù)值、陰極反應(yīng)催化活性和導(dǎo)電率等為衡量指標(biāo)的類石墨烯填料選材依據(jù)