长春工业大学《Langmuir》：基于石墨烯的和多功能集成的超疏水涂层，可扩大结构钢在建筑建材领域的应用价值

成果简介

本文，长春工业大学郑再航 副教授、Liu, Yan等研究人员在《Langmuir》期刊发表名为“One-Step Spraying Strategy for Fabricating Bioinspired, Graphene-Based, and Multifunctional-Integrated Coatings on Structural Steel with Good Water Repellency, Fireproofing, Anticorrosion, and Durability”的论文，研究通过简单的喷涂方法在钢结构表面制备了环保的、基于石墨烯的和多功能集成的超疏水涂层。

在先前工作的基础上，这项工作包括将石墨烯与硅树脂/环氧树脂（SR/EP、粘合剂）和生物基化合物/可膨胀石墨（MCDPM/EG、阻燃剂）一起进一步引入涂料中。设计涂料的目的集中在提高火灾隐患中的耐火效率，延长救援时间，丰富表面功能性。通过水接触角（WCA）测试验证了制备的涂层的表面润湿性。为了验证涂层可能存在超疏水性的原因，分别采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、能量色散X射线光谱（EDS）和扫描电子显微镜（SEM）研究了涂层的化学结构、表面元素含量和微小形貌。

此外，耐用性和坚固性还通过一系列模拟化学和机械测试进行了评估和确认。此外，还分别通过冲洗、浸没和浸泡实验详细研究了涂层的自清洁、防污和防腐蚀能力等多功能性。最显著的是，通过大板燃烧试验、微尺度燃烧量热法（MCC）和热重分析法（TGA）系统地评估了防火性能。最后，通过对燃烧残渣的阐述，进一步提出了一种可能的防火机制。因此，本文发现并开创了一条有效、便捷的高性能防护涂层路线，将扩大结构钢在建筑建材领域的应用价值，如大型工厂建筑、火车站、桥梁、体育馆、交通管道等。

图文导读

方案1.复合涂层的制备工艺及多功能示意图

图1.EP/SR-5涂层的表面润湿性

图2、EP/SR-5涂层的防污测试实验。

图3.EP/SR-5的化学结构和微观形貌分析

图4.浸入 3.5 wt % 中性 NaCl 溶液中的样品的光学照片

图5.不同处理条件下WCAs的变化

图6.燃烧现象的比较

图7.EP/SR和EP/SR-5的TG-FTIR分析

方案 2.EP/SR-5涂层可能的防火机理

小结

总之，通过喷涂 EP、SR、EG、MCDPM 和石墨烯的混合物，在碳钢表面构建了环保、多功能集成和基于石墨烯的超疏水涂层。其中，EP 和 SR 用作粘合剂和低表面能物质，而 EG、MCDPM 和具有阻燃性能的石墨烯则用于同时制造粗糙的表面结构。润湿性测试结果表明，EP/SR-5 涂层的 WCA 值为 156.8 ± 1.6°，WSA 值为 5.8 ± 0.7°，具有良好的防水性和自洁性。同时，超疏水涂层在木材、聚氨酯泡沫和棉织物等不同基材表面的适应性也得到了证实。此外，通过长时间浸泡和电化学测试，与裸钢板相比，涂层能显著延缓腐蚀的发生。

此外，即使在酸/碱浸泡处理、户外曝晒、氧气/等离子蚀刻、沙粒撞击和机械摩擦的情况下，涂层也能表现出良好的耐久性和坚固性。最重要的是，EP/SR-5 涂层在大板燃烧试验中表现出最低的背面温度（234.5 °C），验证了其优异的隔热性能。同时，TGA 和 MCC 测试也证实了涂覆钢材的强大防火能力可能归功于 EP/SR-5 涂料良好热屏蔽能力。根据对残留物的分析，进一步提出了涉及气相/凝结相协同效应的可能防火机制。因此，多功能涂料的应用范围可进一步扩大到大型厂房、火车站、桥梁、运输管道、体育馆等钢结构领域。

文献：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c02001