二維材料-聚合物復合涂層的防腐性能研究.pdf

1、傳熱壁面的腐蝕問題是導致?lián)Q熱設備失效的主要原因，也是腐蝕界的難題之一。二維材料的發(fā)現(xiàn)為開發(fā)新型換熱設備防腐涂層提供了新的機遇。二維材料不僅具有獨特的晶體結構和物理化學性能，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構及分子不可滲透性，近年來在防腐領域倍受關注，被認為是“最薄”的防護材料。然而，石墨烯是導電碳材料，它具有較強的“腐蝕促進活性”，破損失效的石墨烯/聚合物復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，但是目前對類石墨烯材料防護性能和“腐蝕促進活性”的研究還十分缺乏。為了推進二維材料在換熱設備防腐領域的研究與應用，本論文以石墨烯加速金屬基體腐蝕這一問題為出發(fā)點，提出了絕緣改性抑制石墨烯“腐蝕促進活性”和開發(fā)絕緣或半導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“腐蝕促進活性”及其抑制機理

3、，并給出了半導體防腐材料的選材依據(jù)，主要研究內(nèi)容和結果如下:
　　(1)“鈍化”石墨烯/聚合物復合涂層的防腐性能及其“腐蝕促進活性”抑制機理研究。借助原位改性技術，分別采用苯胺、正硅酸乙酯和3-氨丙基三乙氧基硅烷對石墨烯進行絕緣改性，制備了系列低導電的“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構，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)復合涂層在破損后不會加速金屬基體的腐蝕，實現(xiàn)了石墨烯“腐蝕促進活性”的抑制。與此同時，通過選擇不同絕緣改性“鈍化”材料和工藝，實現(xiàn)了對二維材料徑厚比、相容性的調(diào)控。而且，“鈍化”石墨烯材料呈現(xiàn)鱗片結構，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、更能增強腐蝕介質(zhì)在涂層中滲透的迷宮效應，而且可以使PVB涂層的電阻提升4～6數(shù)量級、腐蝕實驗壽命延長至少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用的瓶頸問題提供了新思路，也為開發(fā)高效協(xié)同導熱與防護性能的石墨烯基復合涂層提供了理論和技術支撐。
　　(2)類石墨烯/聚合物復合涂層的防腐性能研究及其“腐蝕促進活性”機理研究。采用液相剝離技術制備了三種多層結構的類石墨烯納米片: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個數(shù)量級，且經(jīng)納米片改性后的復合涂層在劃傷后不會加速金屬基體的腐蝕，沒有表現(xiàn)出“腐蝕促進活性”，表明開發(fā)絕緣和半導體類石墨烯二維材料代替石墨烯作為防腐材料以避免“腐蝕促進活性”隱患是可行的?；趯饘倥c填料間的電子傳遞阻力和填料表面陰極反應消耗電子速率兩個方面影響因素的進一步深入分析，揭示了類石墨烯填料“腐蝕促進活性”的本質(zhì)，提出了以功函數(shù)值、陰極反應催化活性和導電率等為衡量指標的類石墨烯填料選材依據(jù)