環(huán)境響應(yīng)防腐蝕涂層研究取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-10-14
近日，遼寧科技大學(xué)“能源材料與電化學(xué)”遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室安百鋼教授團(tuán)隊(duì)成功研究開(kāi)發(fā)了一種以氧化鋅量子點(diǎn)為閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔TiO
2納米容器中緩蝕劑封裝并具有環(huán)境響應(yīng)性質(zhì)的功能型耐腐蝕涂層。研究成果以題為“Self-Healing Coating with a Controllable Release of Corrosion Inhibitors by Using Multifunctional Zinc Oxide Quantum Dots as Valves”在線(xiàn)發(fā)表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。
化學(xué)工程學(xué)院2020級(jí)博士研究生田兆文為論文第一作者，導(dǎo)師安百鋼教授為通訊作者。遼寧科技大學(xué)李蘇寧博士、鞍鋼技術(shù)研究中心陳義慶研究員和南開(kāi)大學(xué)劉遵峰教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和遼寧科技大學(xué)-海洋裝備及應(yīng)用金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合基金項(xiàng)目支持。
據(jù)了解，傳統(tǒng)有機(jī)防護(hù)涂層使用過(guò)程不可避免地會(huì)產(chǎn)生劃痕、微裂紋、機(jī)械應(yīng)力和老化引起的分層等損傷。通過(guò)向傳統(tǒng)防護(hù)涂層中添加含有緩蝕劑并能及時(shí)響應(yīng)環(huán)境信號(hào)而釋放緩蝕劑的納米容器，可彌補(bǔ)涂層缺陷并抑制環(huán)境對(duì)基體材料的腐蝕。對(duì)這類(lèi)含有納米容器的自修復(fù)涂層，如何實(shí)現(xiàn)納米容器中緩蝕劑的有效封裝和對(duì)腐蝕環(huán)境的快速響應(yīng)并釋放緩蝕劑這對(duì)矛盾是此類(lèi)涂層研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。
該研究在中空介孔TiO
2納米容器(HMTNs)表面引入一種多功能氧化鋅量子點(diǎn)(ZnO-QDs)作為閥門(mén)來(lái)調(diào)控苯并三氮唑(BTA)的封裝與釋放。即通過(guò)制備和利用直徑6.0 nm的ZnO-QDs將BTA被封閉在孔徑為3.0 nm的HMTN中(圖1)。氧化鋅量子點(diǎn)對(duì)自愈合涂層的防腐起到了多功能作用，不僅能起到及時(shí)封閉和釋放BTA的作用，其響應(yīng)酸性環(huán)境產(chǎn)生的Zn
2+能與陰極區(qū)附近的OH-反應(yīng)生成Zn(OH)
2保護(hù)膜，從而抑制基體碳鋼腐蝕(圖2）。加速腐蝕實(shí)驗(yàn)表明，在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡30天后，HMTNs?BTA@ZnO-QDs涂層的|Z|0.01 Hz值保持在2.87×107 Ω cm
2(圖3)。涂層劃痕腐蝕測(cè)試直觀(guān)地演示了涂層具有環(huán)境響應(yīng)釋放緩蝕劑從而抑制基體腐蝕的作用。
圖1. (a) HMTNs?CPTES和HMTN@ZnO-QDs的13C SS-NMR譜；(b) 未負(fù)載BTA的HMTN@ZnO-QD的HAADF?SEM圖像和對(duì)應(yīng)的元素映射圖像；
(c)涂層自修復(fù)機(jī)理的示意圖；(d)樣品的X射線(xiàn)衍射圖。
圖2. (a)樣品的熱重分析曲線(xiàn)；(b)不同酸度下HMTNs?BTA@ZnO-QDs的酸觸發(fā)釋放曲線(xiàn)；(c)在pH=2的酸性溶液中反應(yīng)前后Zn2p的XPS高分辨光譜；
(d)在紫外燈下連續(xù)調(diào)節(jié)pH=2.0 (1.0 mol/L HCl)和pH=12.0 (1mol/L NaOH)后，氧化鋅-量子點(diǎn)的分解時(shí)間和白色沉淀形成時(shí)間的光學(xué)顯微鏡照片；
(e)Q235碳鋼表面腐蝕區(qū)域的掃描電子顯微鏡圖像；(f)腐蝕區(qū)域的X射線(xiàn)衍射圖。
圖3. 在3.5 wt% NaCl中浸泡的涂層|Z|0.01 Hz(a)和Rct(b)隨浸泡時(shí)間的變化；(c)浸泡1h和192h后，人工劃痕區(qū)域的環(huán)氧涂層、HMTNs涂層、HMTNs?BTA涂層、
HMTNs@ZnO-QDs涂層和HMTNs?BTA@ZnO-QDs涂層的光學(xué)顯微鏡照片。
相關(guān)鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c16151
（供稿：化工學(xué)院）