石墨烯在防腐涂料中的应用进展
发布时间：2021-07-22 06:03
对石墨烯的结构、性能以及常用的制备方法予以介绍,总结了石墨烯防腐涂料的制备方法和影响因素,同时对石墨烯防腐涂料的防腐机理加以概述,提出了石墨烯防腐涂料未来发展的瓶颈问题。
【文章来源】：矿产保护与利用. 2020,40(03)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
石墨烯的结构和形貌:(a)石墨烯的起伏;(b)锯齿型边缘GNR和扶手椅型边缘GNR [10]
(3)化学气相沉积法:在高温下,将碳氢化合物如甲烷等通入石英管中的Cu、Ni、Pt及合金等[37-39]衬底表面,反应一定时间后自然冷却,采用湿法腐蚀等方法将石墨烯转移至目标衬底上即可。此种方法可以得到大面积、高质量的石墨烯,但是工艺复杂、成本高,衬底的表面结构、石墨烯的生长温度、载流气体的流量、冷却速率等均会影响石墨烯的晶体质量[40-43]。(4)电化学剥离法:碳棒作为阳极,铂电极作为阴极,在一定浓度的硫酸铵电解质溶液中,施加直流电压。阴极的水发生还原反应,产生的羟基离子作用于石墨的边缘位点和晶界边缘,晶界的氧化导致石墨层去极化和膨胀,从而促进SO42-以及H2O嵌入石墨层间,水分子在阳极发生氧化反应产生氧气,从而克服石墨层间作用力,发生膨胀,逐渐剥离,剥离过程如图2所示,电解施加电压、电解时间、电解质溶液、pH等都会影响电化学剥离的效果[44-45]。
(1)利用沉积工艺(化学气相沉积法(CVD)、电化学沉积(EPD)等)将石墨烯或石墨烯的衍生物沉积在金属表面,形成致密的石墨烯薄膜。I. Wlasny等 [46] 通过CVD在铜表面制备出石墨烯薄膜,XPS测试验证了石墨烯对铜的保护作用,通过扫描隧道电子显微镜可以观测到在石墨烯薄膜覆盖层下边的纳米级的局部腐蚀。Feng Yu等[47]采用CVD制备出一种铝合金(AA)的聚乙烯醇缩丁醛聚合物(PVB)-石墨烯(G)复合防腐涂层,两层由CVD制出的石墨烯夹在三层PVB涂层之间形成的复合涂层(AA-P-G-P-G-P),制备流程如图3所示,在模拟海水中有效期长达4个月,而参照样一层石墨烯夹在两层PVB涂层之间形成的复合涂层(AA-P-G-P)的有效期只有1个月。S.Liu等[48]采用吡咯和石墨烯溶液通过循环伏安法直接在304不锈钢上电沉积聚吡咯/石墨烯复合涂层,电化学测试以及酸浸测试表明,与单一的聚吡咯涂层相比,聚吡咯/石墨烯复合涂层增强了化学稳定性,具有更加优异的防腐蚀性能,同时增强了聚吡咯的导电性。Jun Chen等[49]采用双池隔膜电解池将氧化石墨烯悬浮液沉积阳极铜电极上,荷负电的氧化石墨烯片经过阳极氧化处理制得氧化石墨烯薄膜,采用化学还原法制得石墨烯薄膜,相对于裸铜,还原后的石墨烯薄膜的防腐效率为98%,而未经还原的氧化石墨烯薄膜的防护效率为60%。J.A.Quezada-Renteria等 [50]通过向氧化石墨烯的悬浮液中添加一定浓度的Ca2+以实现由EPD技术制备出阴极还原的石墨烯薄膜。Ca2+与氧化石墨烯sp2结构域的羧酸和π电子相互作用,形成带正电的氧化石墨烯团聚体,实现了氧化石墨烯在阴极上的沉积,同时也有人提出氢化/氢解反应为氧化石墨烯的还原提供了质子辅助作用,促使氧化石墨烯发生氧化还原反应沉积在阴极形成薄膜[51],该薄膜可将碳钢的腐蚀速率降低3倍左右。Mohsin Ali Raza等[52]比较了通过EPD和CVD技术制得的铜金属(Cu)的石墨烯防腐涂层的电化学性能。结果表明,基于CVD制备的石墨烯涂层对基材的粘附力高于EPD制备的涂层。采用Tafel分析和电化学阻抗谱技术在浓度为3.5%的NaCl溶液中研究了涂层的电化学行为,基于CVD制备的石墨烯涂层比EPD制备得到的涂层表现更好,并且腐蚀速率比裸铜降低了一个数量级。石墨烯涂层的电化学行为的对比研究清楚地表明,通过CVD的石墨烯涂层优于EPD的涂层。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯防腐涂料研究进展[J]. 李爽,张双红,杨波,郭华超,李悦,文芳. 腐蚀科学与防护技术. 2019(04)
[2]石墨烯基防腐涂料的研究进展[J]. 李强. 上海化工. 2019(07)
[3]石墨烯的结构、性能及潜在应用[J]. 钟雨嘉,朱宏伟. 物理. 2018(11)
[4]石墨烯在防腐涂料中的研究进展及应用[J]. 迟钧瀚,陈珊,陈晓飞,周东,李国明. 装备环境工程. 2018(05)
[5]化学气相沉积法可控制备石墨烯薄膜和单晶畴[J]. 杨晓丽,孟军华. 微纳电子技术. 2018(01)
[6]石墨烯在防腐涂料中的研究进展[J]. 罗健,王继虎,温绍国,殷常乐,余大洋,吴攸同. 涂料工业. 2017(11)
[7]石墨烯防腐涂料研究进展[J]. 赵书华,陈玉,王树立,饶永超,史小军,刘飞飞,陈宏. 常州大学学报(自然科学版). 2017(02)
[8]直流电场下水中石墨烯定向行为研究[J]. 董若宇,曹鹏,曹桂兴,胡帼杰,曹炳阳. 物理学报. 2017(01)
[9]A Facile Way to Large-scale Production of Few-layered Graphene via Planetary Ball Mill[J]. Sha Deng,Xiao-dong Qi,Yan-ling Zhu,Hong-ju Zhou,Feng Chen,傅强. Chinese Journal of Polymer Science. 2016(10)
[10]无溶剂环氧防腐涂层在模拟海水冲刷条件下的电化学行为[J]. 赵洪涛,陆卫中,李京,郑玉贵. 中国腐蚀与防护学报. 2016(04)
博士论文
[1]丙烯酸酯—环氧树脂核壳乳液及石墨烯复合涂料的制备与防腐性能研究[D]. 朱科.陕西科技大学 2018
本文编号：3296592
【文章来源】：矿产保护与利用. 2020,40(03)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
石墨烯的结构和形貌:(a)石墨烯的起伏;(b)锯齿型边缘GNR和扶手椅型边缘GNR [10]
(3)化学气相沉积法:在高温下,将碳氢化合物如甲烷等通入石英管中的Cu、Ni、Pt及合金等[37-39]衬底表面,反应一定时间后自然冷却,采用湿法腐蚀等方法将石墨烯转移至目标衬底上即可。此种方法可以得到大面积、高质量的石墨烯,但是工艺复杂、成本高,衬底的表面结构、石墨烯的生长温度、载流气体的流量、冷却速率等均会影响石墨烯的晶体质量[40-43]。(4)电化学剥离法:碳棒作为阳极,铂电极作为阴极,在一定浓度的硫酸铵电解质溶液中,施加直流电压。阴极的水发生还原反应,产生的羟基离子作用于石墨的边缘位点和晶界边缘,晶界的氧化导致石墨层去极化和膨胀,从而促进SO42-以及H2O嵌入石墨层间,水分子在阳极发生氧化反应产生氧气,从而克服石墨层间作用力,发生膨胀,逐渐剥离,剥离过程如图2所示,电解施加电压、电解时间、电解质溶液、pH等都会影响电化学剥离的效果[44-45]。
(1)利用沉积工艺(化学气相沉积法(CVD)、电化学沉积(EPD)等)将石墨烯或石墨烯的衍生物沉积在金属表面,形成致密的石墨烯薄膜。I. Wlasny等 [46] 通过CVD在铜表面制备出石墨烯薄膜,XPS测试验证了石墨烯对铜的保护作用,通过扫描隧道电子显微镜可以观测到在石墨烯薄膜覆盖层下边的纳米级的局部腐蚀。Feng Yu等[47]采用CVD制备出一种铝合金(AA)的聚乙烯醇缩丁醛聚合物(PVB)-石墨烯(G)复合防腐涂层,两层由CVD制出的石墨烯夹在三层PVB涂层之间形成的复合涂层(AA-P-G-P-G-P),制备流程如图3所示,在模拟海水中有效期长达4个月,而参照样一层石墨烯夹在两层PVB涂层之间形成的复合涂层(AA-P-G-P)的有效期只有1个月。S.Liu等[48]采用吡咯和石墨烯溶液通过循环伏安法直接在304不锈钢上电沉积聚吡咯/石墨烯复合涂层,电化学测试以及酸浸测试表明,与单一的聚吡咯涂层相比,聚吡咯/石墨烯复合涂层增强了化学稳定性,具有更加优异的防腐蚀性能,同时增强了聚吡咯的导电性。Jun Chen等[49]采用双池隔膜电解池将氧化石墨烯悬浮液沉积阳极铜电极上,荷负电的氧化石墨烯片经过阳极氧化处理制得氧化石墨烯薄膜,采用化学还原法制得石墨烯薄膜,相对于裸铜,还原后的石墨烯薄膜的防腐效率为98%,而未经还原的氧化石墨烯薄膜的防护效率为60%。J.A.Quezada-Renteria等 [50]通过向氧化石墨烯的悬浮液中添加一定浓度的Ca2+以实现由EPD技术制备出阴极还原的石墨烯薄膜。Ca2+与氧化石墨烯sp2结构域的羧酸和π电子相互作用,形成带正电的氧化石墨烯团聚体,实现了氧化石墨烯在阴极上的沉积,同时也有人提出氢化/氢解反应为氧化石墨烯的还原提供了质子辅助作用,促使氧化石墨烯发生氧化还原反应沉积在阴极形成薄膜[51],该薄膜可将碳钢的腐蚀速率降低3倍左右。Mohsin Ali Raza等[52]比较了通过EPD和CVD技术制得的铜金属(Cu)的石墨烯防腐涂层的电化学性能。结果表明,基于CVD制备的石墨烯涂层对基材的粘附力高于EPD制备的涂层。采用Tafel分析和电化学阻抗谱技术在浓度为3.5%的NaCl溶液中研究了涂层的电化学行为,基于CVD制备的石墨烯涂层比EPD制备得到的涂层表现更好,并且腐蚀速率比裸铜降低了一个数量级。石墨烯涂层的电化学行为的对比研究清楚地表明,通过CVD的石墨烯涂层优于EPD的涂层。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯防腐涂料研究进展[J]. 李爽,张双红,杨波,郭华超,李悦,文芳. 腐蚀科学与防护技术. 2019(04)
[2]石墨烯基防腐涂料的研究进展[J]. 李强. 上海化工. 2019(07)
[3]石墨烯的结构、性能及潜在应用[J]. 钟雨嘉,朱宏伟. 物理. 2018(11)
[4]石墨烯在防腐涂料中的研究进展及应用[J]. 迟钧瀚,陈珊,陈晓飞,周东,李国明. 装备环境工程. 2018(05)
[5]化学气相沉积法可控制备石墨烯薄膜和单晶畴[J]. 杨晓丽,孟军华. 微纳电子技术. 2018(01)
[6]石墨烯在防腐涂料中的研究进展[J]. 罗健,王继虎,温绍国,殷常乐,余大洋,吴攸同. 涂料工业. 2017(11)
[7]石墨烯防腐涂料研究进展[J]. 赵书华,陈玉,王树立,饶永超,史小军,刘飞飞,陈宏. 常州大学学报(自然科学版). 2017(02)
[8]直流电场下水中石墨烯定向行为研究[J]. 董若宇,曹鹏,曹桂兴,胡帼杰,曹炳阳. 物理学报. 2017(01)
[9]A Facile Way to Large-scale Production of Few-layered Graphene via Planetary Ball Mill[J]. Sha Deng,Xiao-dong Qi,Yan-ling Zhu,Hong-ju Zhou,Feng Chen,傅强. Chinese Journal of Polymer Science. 2016(10)
[10]无溶剂环氧防腐涂层在模拟海水冲刷条件下的电化学行为[J]. 赵洪涛,陆卫中,李京,郑玉贵. 中国腐蚀与防护学报. 2016(04)
博士论文
[1]丙烯酸酯—环氧树脂核壳乳液及石墨烯复合涂料的制备与防腐性能研究[D]. 朱科.陕西科技大学 2018
本文编号：3296592
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