圖1.石墨烯分散液的製備示意圖
圖2.石墨烯改性複合塗層的耐腐蝕性與耐磨性
圖3.石墨烯雜化物的結構與電鏡照片; 雜化複合塗層的腐蝕防護機理與耐腐蝕性研究
圖4.(a)空白水性塗層 (b)導電聚合物複合塗層 (c)石墨烯雜化複合塗層缺陷處的局部電流密度分布圖
石墨烯具有獨特的納米片層結構以及優異的導電性, 力學性能和阻隔性能, 是近年來複合材料(塗層)領域的研究熱點. 然而, 石墨烯由於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生團聚, 無法充分發揮石墨烯單層或少層的優異特性, 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塗層小組, 致力於石墨烯的化學和物理改性, 以及石墨烯多功能複合塗層的製備與研究. 該團隊基於石墨烯與導電聚合物間的π-π相互作用, 通過可控聚合製備可溶性導電聚合物, 並結合超聲分散實現石墨烯的液相剝離, 其在常規塗料用有機溶劑中的分散濃度達5mg/mL, 剝離後的石墨烯片層平均厚度在2-3nm(圖1). 通過導電聚合物對塗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%)環氧複合塗層的耐腐蝕性, 潤滑性和耐磨性都得到了大幅提高. 相關工作發表在Carbon上, 並申請國家發明專利.
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製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定分散, 製備的水性環氧塗層, 由於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緻密的鈍化膜, 抑制腐蝕, 協同提高複合塗層的耐腐蝕性, 並通過掃描振動電極技術(SVET)研究表明塗層具有自修複性能(圖4). 相關工作發表在ACS Applied Material & Interfaces上.
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.
