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河北工大張旭教授課題組 CEJ：基于聚合物納米管制備具有電活性及魯棒性的超疏水防腐蝕涂層
2024-04-13  來源：高分子科技

  具有電活性及魯棒性的超疏水涂層因其優(yōu)異的電活性能和超疏水性能，可廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽紡織品、可穿戴傳感器、防腐蝕以及防結(jié)冰等領(lǐng)域。然而，目前的超疏水防腐蝕涂層制備成本高、工藝復(fù)雜、難以批量制備以及耐用性能較差。因此，構(gòu)建一種制備低成本、易于制備、堅(jiān)固耐用及優(yōu)異防腐性能的金屬防腐蝕超疏水涂層仍具有挑戰(zhàn)性。


  目前，河北工業(yè)大學(xué)張旭教授課題組與中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司合作，首先通過可快速制備的陽離子聚合及化學(xué)氧化法，在交聯(lián)聚苯乙烯納米管表面包覆聚吡咯（PPy）殼層制備具有電活性的PDVB@PPy NTs（圖1a），利用其電活性能可以構(gòu)成對(duì)腐蝕介質(zhì)的物理屏障，隨后與環(huán)氧樹脂（EP，E44）相結(jié)合制備復(fù)合涂層的底層PDVB@PPy/EP（圖1c），增強(qiáng)了涂層的耐腐蝕性能；其次通過在陽離子聚合過程中加入氟化二氧化硅納米粒子（FSiO2 NPs）制備具有疏水性能的PDVB/FSiO2 NTs（圖1b），隨后與乙醇膠相結(jié)合制備復(fù)合涂層的表層PDVB/FSiO2（圖1d）。分別在Q235鋼板上噴涂電活性底層PDVB@PPy/EP和超疏水表層PDVB/FSiO2。最終，制備了超疏水防腐蝕復(fù)合涂層（PDVB/FSiO2-PDVB@PPy/EP）。該涂層經(jīng)過惡劣的機(jī)械破壞、長(zhǎng)時(shí)間的紫外線照射、真實(shí)海邊環(huán)境暴露以及強(qiáng)酸/堿性溶液浸泡后仍具有優(yōu)異的超疏水性能。同時(shí)還在鹽霧及鹽水浸泡環(huán)境下研究了防腐蝕性能。 


圖1. 制備示意圖：（a）PDVB@PPy NTs，（b）PDVB/FSiO2，（c）PDVB@PPy/EP底層，（d）PDVB/FSiO2-PDVB@PPy/EP涂層.


  PDVB NTs可通過陽離子聚合快速制備，但其水接觸角為138.4度（圖2a）。在陽離子聚合過程中加入FSiO2 NPs，可使FSiO2 NPs均勻分散在PDVB NTs所形成的網(wǎng)絡(luò)中或納米管中（圖2b），僅需很少加量（4 wt%）即可達(dá)到接觸角163.9度，滾動(dòng)角3.6度，避免了“掉粉”現(xiàn)象并形成了涂層“整體”超疏水，通過進(jìn)一步加入乙醇膠從而提高了表層超疏水魯棒性能（圖2c）。通過快速的化學(xué)氧化法，在表面包覆聚吡咯（PPy）可賦予PDVB NTs優(yōu)異的電活性（圖2d），同時(shí)與EP混合提高了EP的致密性（圖2e）。 


圖2. SEM圖：（a）PDVB NTs（插圖為水接觸角），（b）PDVB/FSiO2 NTs（插圖為水接觸角），（c）PDVB/FSiO2表層，（d）PDVB@PPy NTs（插圖為局部放大圖）和（e）PDVB@PPy/EP底層.


  制備的復(fù)合涂層具有優(yōu)異的超疏水性能（接觸角163.9度，滾動(dòng)角3.6度），對(duì)水具有很強(qiáng)的斥力，主要表現(xiàn)在水流與復(fù)合涂層接觸后，會(huì)迅速回彈，沒有水滴殘留，即使水流的速度很小，微小的水滴仍能以較高的速度流下，以及自清潔能力，說明超疏水性能能夠大大減少腐蝕液體在表面的停留時(shí)間，從而降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。此外，復(fù)合涂層具有出色的機(jī)械穩(wěn)定性、耐候性以及耐化學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)歷橫切劃痕、膠帶剝離、1000次的泰伯磨損（圖3a）、120天的海邊暴露測(cè)試（圖3b）、100小時(shí)紫外照射（圖3c）以及pH=1和pH=14的環(huán)境下浸泡7天（圖3d和e）后復(fù)合涂層的接觸角仍大于150度，滾動(dòng)角小于10度，說明涂層即使受到磨損，內(nèi)部仍存在微納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。同時(shí)，超疏水復(fù)合涂層優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性可以保護(hù)金屬免受長(zhǎng)期的腐蝕沖擊。 


圖3.（a）復(fù)合涂層WCA和SA隨泰伯磨損循環(huán)的變化，（b）海邊暴露120天前后的光學(xué)照片，（c）復(fù)合涂層WCA和SA隨紫外照射時(shí)間的變化，復(fù)合涂層在（d）pH=1的HCl溶液和（e）pH=14的NaOH溶液中浸泡不同天數(shù)的WCA和SA.


  值得一提的是，由于PDVB/FSiO2-PDVB@PPy/EP復(fù)合涂層底層中的電活性涂層可以構(gòu)成對(duì)腐蝕介質(zhì)的物理屏障，同時(shí)復(fù)合涂層表層的超疏水性能又起到了阻止腐蝕性液體滯留在基底上的雙重保護(hù)作用，增強(qiáng)了復(fù)合涂層的防腐蝕性能。結(jié)果表明，經(jīng)歷30天的鹽霧腐蝕試驗(yàn)后的點(diǎn)蝕坑深度僅為4 μm且與純EP涂層和未包覆PPy的復(fù)合涂層相比，包覆PPy的復(fù)合涂層具有更強(qiáng)的防腐性能（圖4），在含3.5 wt% NaCl的溶液中浸泡60天后，防護(hù)效率(P.E.%)達(dá)到94.79%。 


圖4. 不同樣品經(jīng)過30天鹽霧腐蝕并去除涂層后的微觀形貌和三維形貌：（a）裸Q235鋼板及（b）噴涂純EP涂層，（c）PDVB/FSiO2-PDVB/EP和（d）PDVB/FSiO2-PDVB@PPy/EP復(fù)合涂層的Q235鋼板.


  該研究成果以“Double-layer with Electroactive and Superhydrophobicity Based on Polymer Nanotubes to Improve Robustness and Anti-corrosion Performances”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上（Chemical Engineering Journal, 2024, 150928）。論文的第一作者為河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院2021級(jí)碩士研究生秦曉月，通訊作者為王小梅教授和張旭教授。該研究得到了河北省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（21371401D）的資助。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150928

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