中北大学王智教授团队：基于粉煤灰基沸石/还原氧化石墨烯/苯并噁嗪的有效散热防腐涂层

聚苯并噁嗪（PBZ）是一种很有前途的热固性树脂，其高模量、高耐热以及灵活的分子设计性等特点引起人们对不同领域的兴趣，包括阻燃性、油水分离、防污和耐腐蚀性等。其中，PBZ的防腐性能日益受到重视。不过，随着工业逐渐发展，在满足防腐性能的同时，部分领域如换热器，对涂层的导热性能也提出了新的要求。不幸的是，有机涂层（环氧树脂、酚醛树脂等）的导热性能始终较低，为了进一步同时提高防腐和导热能力，在这些有机涂层中有效地分布无机颗粒仍然是当务之急。

近日，中北大学王智教授课题组针对聚苯并噁嗪在涂层领域的导热、防腐性能在《Progress in Organic Coatings》期刊发表名为：“Fly ash-based zeolite/reduced graphene oxide/polymer anti-corrosion coatings for efficient heat dissipation”的文章。该文章使用湿法球磨的方法，通过引入粉煤灰基沸石来辅助剥离还原氧化石墨烯（rGO），所得A-rGO颗粒有效减轻了还原氧化石墨烯的团聚现象，大大提高了无机颗粒在有机涂层中的分散性，从而增强涂层的导热及防腐性能。制备流程如图1所示。

图1. A-rGO粒子的制备以及涂层的喷涂流程图。

通过SEM、EDS等表征证明rGO的成功分散，并利用XRD和拉曼测试分别评估了球磨对沸石颗粒和 A-rGO 结构的影响。在图4a中也可看到，未改性 rGO 的 zeta 电位绝对值仅为 11.2，而通过湿法球研磨获得的 A-rGO 分散体的 zeta 电位绝对值为 47.8，这表明体系的稳定性显著提高，rGO 快速凝结或团聚的趋势大大降低。

图2. (a) 沸石, (b) rGO和 (c) A-rGO的SEM图像; (d-h) 中的图像为图 (i) 的 EDS 元素分析：(d) C元素、(e) O元素、(f) Na元素和 (g) Al元素以及 (h) Si元素。

图3. (a) A-rGO 的 XRD 图，(b) rGO 和 A-rGO 的拉曼图。

图4：（a）rGO 和 A-rGO 在水中的 Zeta 电位和（b）分散稳定性。

利用扫描电镜观察了复合涂层致密的表面及乳凸状结构，并结合白光干涉的三维表面形貌进一步验证涂层表面结构和粗糙度的变化。同时，涂层横截面的SEM图像清晰的展现了导热通道/防腐屏障的构建。结果表明，基于苯并恶嗪/A-rGO 的涂层（A-r-2），最高导热系数高达 1.561 W·m^-1K^-1，比苯并恶嗪基涂层高出 676.1%，比相同含量的苯并恶嗪/rGO 涂层高出 159.7%。此外，A-r-2 涂层的低频阻抗值达到 2.433 × 10⁹ Ω·cm²，水接触角高达 129.8 ± 0.2°。本研究设计的颗粒为制造具有高耐腐蚀性的高导热复合涂层提供了一种新的添加剂，且涂层具有低填料比的特点。

图5. 涂层的扫描电镜图像：（a）为 A-r-1 的表面形貌，（b）和（c）为其局部放大图；（d）为 A-r-2 的表面形貌，（e）和（f）为其局部放大图；（g）和（h）为 A-r-1 和 A-r-2 的水接触角；（i-k）为 B、rGO-2 和 A-r-2 的表面白光干涉图。

图6.（a）不同涂层（B、rGO-1、rGO-2、rGO-3、A-r-1 和 A-r-2）的热导率；（b）本研究工作与其他文献的比较；（c-h）B、rGO-1、rGO-2、rGO-3、A-r-1 和 A-r-2 的断口截面形态的扫描电镜图像，以及（c₁-h₁）相应的放大图像。

图7. 不同样品（1-6分别为B、rGO-1、rGO-2、rGO-3、A-r-1 和 A-r-2）的 ANSYS 传热分析： (a) 45 °C时的温度变化，(b) 80 °C时的最终温度变化。

图8. (a) 不同样品的奈奎斯特图和等效电路图，(b) 局部放大图，(c) 3.5 wt% NaCl溶液中的极化曲线，(d) 涂层防护机理图。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2024.108739