金属材料的腐蚀问题广泛地存在于工业、农业生产以及生活中，据统计全世界因腐蚀报废的金属约一亿吨/年，占年产量的 20%~40%。同时，由于工业环境非常苛刻且具有较强的腐蚀性，金属材料在长期服役过程中面临严重的腐蚀问题，这将降低其使用过程中的安全性和服役寿命，对整个社会发展具有极大的负面效应，甚至造成巨大的经济损失、人员伤亡、环境污染、资源浪费。
近日，江西理工大学的年轻教师叶育伟博士针对上述问题，结合石墨烯的抗渗透性及负载能力，设计出了一种兼具主动与被动防护的智能型防腐涂层，大幅提高了涂层在腐蚀环境下的适应能力及服役寿命。相关论文以题为“Corrosion protective mechanism of smart graphene-based self-healing coating on carbon steel”在Corrosion Science上发表。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108825
石墨烯是一种二维纳米材料，具有良好的力学性能、高的长径比及优异的抗渗透性能，近年来在有机涂层腐蚀防护领域受到了广泛关注。目前，利用石墨烯的物理阻隔性能来提高涂层被动防腐能力的研究已经取得初步进展，但涂层在服役过程中难免产生破损或内部缺陷，导致腐蚀性介质渗透，严重缩短了涂层的使用寿命。因此，涂层破损的自修复行为与机理是研究的热点。石墨烯通过接枝某些功能基团可以实现涂层的自修复功能，主要表现为在涂层缺陷处所裸露的金属表面形成致密的钝化膜或吸附膜，从而起到对缺陷处金属的腐蚀防护作用。
本文作者通过八氨基-POSS、多聚甲醛与氧化石墨烯(GO)之间的交联反应，合成了具有多孔骨架结构的石墨烯基纳米容器，然后将苯并三唑(BTA)缓蚀剂负载于多孔结构中，并分散至环氧涂层中形成智能防护涂层。通过氮气吸附-解吸曲线及差示扫描量热法分析发现，石墨烯基纳米容器的孔径约为10~80nm，BTA的负载量约为18.6%。在局部酸性或碱性环境的刺激下，石墨烯基纳米容器所负载的BTA缓蚀剂会被释放出来，在金属表面形成吸附层，进而抑制腐蚀介质的渗透。此外，通过局部电化学阻抗技术分析涂层微区缺陷处的自修复行为发现，随着浸泡时间的延长，智能防护涂层微区缺陷处的导纳逐渐降低，腐蚀区域逐渐缩小，进一步证明了其优异的自修复性。
总的来说，作者在石墨烯优异的抗渗透性基础上，通过设计多孔骨架结构，制备了石墨烯基纳米容器。受益于纳米容器多孔骨架结构，将缓蚀剂BTA负载于孔中，并分散至环氧涂层中，实现对腐蚀的主动与被动防护，为后续智能化防护涂层的研发提供了重要的参考。
图1石墨烯基纳米容器的制备过程和BTA的负载
图2 (a)原始GO和(b)石墨烯基纳米容器的SEM图像; (c)原始GO和(d)石墨烯基纳米容器的TEM图像; (e)原始GO和(f)石墨烯基纳米容器的SPM图像; (g)原始GO和(h)石墨烯基纳米容器的厚度
图3 (a)原始GO和(c)石墨烯基纳米容器的氮吸附-解吸曲线; (b)原始GO和(d)石墨烯基纳米容器的孔体积
图4 BTA的释放动力学曲线
图5 (a, b, c)EP, (d,e, f)8-PG/EP和(g, h, i)8-PG-BTA/EP涂层在微区缺陷处的导纳变化
图6 (a1, a2, a3)EP, (b1,b2, b3)8-PG/EP和(c1, c2,c3)8-PG-BTA/EP涂层的EIS数据; (d, e)等效电路
图7 (a)浸泡过程中涂层的氧气渗透系数和(b)吸水率
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