石墨烯基超疏水钢涂层的环保制造

超疏水涂层是具有多种工业用途的憎水表面，包括自清洁，耐化学性，阻力最小化，传感，光伏电池，生物医学和防污装置。

研究：在钢基体上制备环保型石墨烯基超疏水涂层及其耐腐蚀性、化学稳定性和机械稳定性。图片来源：Shutterstock.com

开发具有这些特性的表面可能具有挑战性，尤其是在考虑生态和客户安全问题的情况下。

最近发表在《科学报告》杂志上的一项研究侧重于环保石墨烯的恒磁电沉积，以在钢表面上形成超疏水涂层。稻草是一种生态良性的生物质材料，用于制造环保石墨烯。

什么是超疏水涂料？

超疏水表面的接触角高于150°，并且非常不润湿。通过增加表面磨损和降低表面能，可以开发具有特殊憎水性的各种超疏水表面，这是超疏水性的两个关键先决条件。

由于其超低界面能，全氟化物质，如氟硅烷或氟碳单体，历来被用作低表面能材料。然而，使用这种长链碳氟化合物已被证明是非常危险的，具有严重的环境后果，例如低耐久性，生物放大和生物利用度。

因此，需要低成本，环境可接受的技术和材料（例如环保石墨烯）来制造超疏水表面。

已经报道了生产超疏水涂层的几种技术，包括吸收，静电纺丝，电沉积，层自组装和等离子体蚀刻。

由于其低温程序，清洁度，低成本，方便性和可调节的微观结构，电沉积是生产合成超疏水表面的有效技术。

超疏水表面：优点和局限性

钢基材由于其强大的物理强度和低廉的成本而具有多种用途。同时，由于电化学过程，它们具有很高的腐蚀倾向。就商业和安全后果而言，腐蚀通常被认为是最关键的问题之一。

可以使用各种方法保护钢表面，其中最重要的是制造超疏水涂层以提高耐腐蚀性。

然而，超疏水表面具有结构弹性低和物理不稳定等显着缺点，限制了其实际适用性。必须提高其机械粗糙度耐受性和化学稳定性，以便在工业中采用超疏水表面。

用于超疏水涂料的环保石墨烯

石墨烯是一种具有蜂窝图案的2D碳无定形聚合物。它是一种非凡的纳米材料，因为它是最轻和最有弹性的碳基纳米结构。由于其韧性，奇异的原子层深度，化学稳定性和对许多气体的不渗透性，石墨烯是涂料，特别是防腐涂料材料的优良物质。

生产石墨烯的四种基本方法是催化还原氧化石墨烯，剥落石墨，碳化硅上的外延生长和化学气相沉积（CVD）。然而，这些方法大多很耗时，并且需要使用潜在有害的化学品和气体。

由于这些常用方法有时间和生产价值限制，许多科学家现在正专注于为环保石墨烯制造创造绿色合成方法。

在这项研究中，研究人员创造了一种超疏水环保石墨烯基涂层，以改善钢表面的防腐保护。硬脂酸是一种生态良性和廉价的化学物质，被用作低表面能物质。创造了两种超疏水涂层：镍硬脂酸（Ni-SA）和镍 – 石墨烯 – 硬脂酸（Ni-G-SA）。

采用绿色合成工艺从可再生能源稻草中制造环保石墨烯。在氯化钠水溶液中，测试了所生产的超疏水涂层的亲水性，化学和机械耐久性以及耐腐蚀性。

研究的重要发现

所生产的超疏水Ni-G-SA涂层的流体接触角为161.4°，而Ni-SA涂层为155.7°。添加环保石墨烯可提高所生产涂层的磨损，从而增强超疏水性。

根据化学稳定性研究，Ni-SA涂层在pH区域3-11中保持超疏水性，而Ni-G-SA涂层在pH区域1-13中保持超疏水性。

物理磨损试验表明，制造的超疏水Ni-SA涂层在磨料长度为150 mm之前是超疏水的。相比之下，Ni-G-SA涂层在磨料长度为300毫米之前是超疏水的，这表明在开发的超疏水涂层中使用环保石墨烯可以增加其机械和化学弹性。

目前的工作提出了一种创新和环保的合成工艺，用于生产用于超疏水涂层的环保石墨烯。这些发现有望为进一步研究这些生态友好型涂料的非凡特性开辟道路。

参考

Mohamed, M. E. et al. (2022). Fabrication of eco-friendly graphene-based superhydrophobic coating on steel substrate and its corrosion resistance, chemical, and mechanical stability. Scientific Reports. Available at: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14353-0