石墨烯具有獨特的納米片層結構以及優(yōu)異的導電性、力學性能和阻隔性能，是近年來復合材料(涂層)領域的研究熱點。然而，石墨烯由于其高比表面積和層間作用力，使其在高分子樹脂基體中易發(fā)生團聚，無法充分發(fā)揮石墨烯單層或少層的優(yōu)異特性，限制了其在很多領域的應用。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋功能材料團隊研究員王立平與趙海超指導的有機功能涂層小組，致力于石墨烯的化學和物理改性，以及石墨烯多功能復合涂層的制備與研究。該團隊基于石墨烯與導電聚合物間的π-π相互作用，通過可控聚合制備可溶性導電聚合物，并結合超聲分散實現石墨烯的液相剝離，其在常規(guī)涂料用有機溶劑中的分散濃度達5mg/mL，剝離后的石墨烯片層平均厚度在2-3nm(圖1)。通過導電聚合物對涂層基底的鈍化作用和石墨烯二維納米片層結構的屏蔽和自潤滑效應，僅添加少量剝離的石墨烯(0.5%)環(huán)氧復合涂層的耐腐蝕性、潤滑性和耐磨性都得到了大幅提高。相關工作發(fā)表在Carbon上，并申請國家發(fā)明專利。
圖1.石墨烯分散液的制備示意圖
圖2.石墨烯改性復合涂層的耐腐蝕性與耐磨性
石墨烯的疏水性使其在水和水性樹脂中的分散難以實現。該團隊通過微乳液聚合制備了水溶性的導電聚合物乳膠納米粒子作為石墨烯的插層劑(圖3)，實現了石墨烯二維納米片在水性樹脂中穩(wěn)定分散，制備的水性環(huán)氧涂層，由于石墨烯在基體中形成物理阻隔層延長腐蝕介質的擴散路徑，減緩腐蝕；導電聚合物能夠使金屬表面生成致密的鈍化膜，抑制腐蝕，協(xié)同提高復合涂層的耐腐蝕性，并通過掃描振動電極技術(SVET)研究表明涂層具有自修復性能(圖4)。相關工作發(fā)表在ACS Applied Material & Interfaces上。
圖3.石墨烯雜化物的結構與電鏡照片；雜化復合涂層的腐蝕防護機理與耐腐蝕性研究
圖4.(a)空白水性涂層 (b)導電聚合物復合涂層 (c)石墨烯雜化復合涂層缺陷處的局部電流密度分布圖
研究工作獲得中科院“百人計劃”、中科院前沿科學研究計劃，浙江省石墨烯重大科技專項以及浙江省自然科學基金的資助。
