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天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)團(tuán)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(jì)損失、嚴(yán)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(hù)、陽極鈍化、表面涂層技術(shù)、緩蝕劑等。目前，表面涂層技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)且高效的防護(hù)“外衣”手段受到廣泛關(guān)注和研究。表面涂層技術(shù)中環(huán)氧樹脂因其優(yōu)異的耐腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性等而被廣泛應(yīng)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(jī)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(tuán)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(guān)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(xué)汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)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(shù)成功制備一種結(jié)合物理阻隔、界面增強(qiáng)以及主動保護(hù)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(xiàn)調(diào)研及實驗條件摸索，作者成功通過溶膠-凝膠反應(yīng)，利用界面誘導(dǎo)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(tuán)發(fā)生反應(yīng)減少親水基團(tuán)數(shù)量同時改善界面相容性；另一方面，借助疏水基團(tuán)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(xué)腐蝕，形成復(fù)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(dá)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(xué)化工學(xué)院碩士研究生裴魯超，通訊作者為天津大學(xué)化工學(xué)院汪懷遠(yuǎn)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(jìn)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(fù)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(jié)合性能分析詳細(xì)闡述防腐蝕機(jī)理。下面是文章部分相關(guān)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(hù)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|0.01Hz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(hù)機(jī)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(qiáng)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(xué)/化學(xué)腐蝕以及能與Fe3+配位共同形成致密的復(fù)合鈍化膜。四重保護(hù)機(jī)制協(xié)同防護(hù)，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(fù)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(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)多領(lǐng)域跨學(xué)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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