環境響應防腐蝕涂層研究取得新進展
發布日期：2022-10-14
近日，遼寧科技大學“能源材料與電化學”遼寧省重點實驗室安百鋼教授團隊成功研究開發了一種以氧化鋅量子點為閥門，實現對多孔TiO
2納米容器中緩蝕劑封裝并具有環境響應性質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”在線發表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。
化學工程學院2020級博士研究生田兆文為論文第一作者，導師安百鋼教授為通訊作者。遼寧科技大學李蘇寧博士、鞍鋼技術研究中心陳義慶研究員和南開大學劉遵峰教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金和遼寧科技大學-海洋裝備及應用金屬材料國家重點實驗室聯合基金項目支持。
據了解，傳統有機防護涂層使用過程不可避免地會產生劃痕、微裂紋、機械應力和老化引起的分層等損傷。通過向傳統防護涂層中添加含有緩蝕劑并能及時響應環境信號而釋放緩蝕劑的納米容器，可彌補涂層缺陷并抑制環境對基體材料的腐蝕。對這類含有納米容器的自修復涂層，如何實現納米容器中緩蝕劑的有效封裝和對腐蝕環境的快速響應并釋放緩蝕劑這對矛盾是此類涂層研究的重點領域。
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(ZnO-QDs)作為閥門來調控苯并三氮唑(BTA)的封裝與釋放。即通過制備和利用直徑6.0 nm的ZnO-QDs將BTA被封閉在孔徑為3.0 nm的HMTN中(圖1)。氧化鋅量子點對自愈合涂層的防腐起到了多功能作用，不僅能起到及時封閉和釋放BTA的作用，其響應酸性環境產生的Zn
2+能與陰極區附近的OH-反應生成Zn(OH)
2保護膜，從而抑制基體碳鋼腐蝕(圖2）。加速腐蝕實驗表明，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)。涂層劃痕腐蝕測試直觀地演示了涂層具有環境響應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) 未負載BTA的HMTN@ZnO-QD的HAADF?SEM圖像和對應的元素映射圖像；
(c)涂層自修復機理的示意圖；(d)樣品的X射線衍射圖。
圖2. (a)樣品的熱重分析曲線；(b)不同酸度下HMTNs?BTA@ZnO-QDs的酸觸發釋放曲線；(c)在pH=2的酸性溶液中反應前后Zn2p的XPS高分辨光譜；
(d)在紫外燈下連續調節pH=2.0 (1.0 mol/L HCl)和pH=12.0 (1mol/L NaOH)后，氧化鋅-量子點的分解時間和白色沉淀形成時間的光學顯微鏡照片；
(e)Q235碳鋼表面腐蝕區域的掃描電子顯微鏡圖像；(f)腐蝕區域的X射線衍射圖。
圖3. 在3.5 wt% NaCl中浸泡的涂層|Z|0.01 Hz(a)和Rct(b)隨浸泡時間的變化；(c)浸泡1h和192h后，人工劃痕區域的環氧涂層、HMTNs涂層、HMTNs?BTA涂層、
HMTNs@ZnO-QDs涂層和HMTNs?BTA@ZnO-QDs涂層的光學顯微鏡照片。
（供稿：化工學院）