来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2022/6/30 10:15:54
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FCSE | 前沿研究:太阳光驱动的“自修复”防腐涂层

论文标题:Anticorrosive composite self-healing coating enabled by solar irradiation(太阳光驱动的“自修复”防腐涂层)

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者:Zhentao Hao, Si Chen, Zhifeng Lin, Weihua Li

发表时间:29 Apr 2022

DOI:10.1007/s11705-022-2147-1

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金属材料直接暴露在空气、水或其他腐蚀性介质中,容易因为各种物理化学作用的发生而损坏,导致巨大的资源浪费和环境问题。在其表面施加保护涂层可以将金属基体与其周围的环境介质隔离,从而有效减缓腐蚀作用的发生。涂层的致密性和防腐蚀性则是决定最终防护效果的两个关键因素。与搪瓷、陶瓷等无机涂层相比,有机涂层由于来源广泛、具有良好的耐腐蚀性、更易在金属表面形成致密的覆盖层,因而被广泛使用。但一个不容忽视的事实是,有机涂层在各种自然环境下,表面很容易形成微裂纹,导致水和其他腐蚀性介质的渗透而失去保护作用。

为了解决这个问题,中山大学的林志峰和李伟华科研团队制备了一种含有Fe3O4纳米颗粒和十四烷醇的环氧树脂涂层(厚度约200 μm),在太阳光下表现出良好的自愈能力,可以保护底层碳钢免受侵蚀。

自修复涂层(SHC)是一种新型涂层,首次报道至今仅20年时间,它可以修复自身的微裂纹或损伤形成物理屏障,从而有效延长预期使用寿命。虽然目前已经发现了几种不同的制备自修复涂层的方法,包括添加外部修复/腐蚀抑制剂、聚合物树脂自身动态键合和使用热塑性/形状记忆材料等,但往往需要提供紫外线照射或高温条件以诱导相关化学反应的进行,因此迫切需要开发在温和条件下就能实现自修复的涂层。

研究人员发现,在Fe3O4纳米颗粒的光热作用下,制备的自修复涂层在模拟光照仅需200 s的时间内即可升温至70 °C,足以使十四醇熔化流动填充表面缺陷,3分钟内涂层表面的穿孔和划痕就迅速得到了修复。而涂层的润湿性可以通过十四烷醇的加入比例进行调控,其表面带有的丰富羟基使得涂层表面更加亲水。他们还进一步在真实室外光照下验证了自修复涂层的自愈效果,结果表明在93 s内其表面的划痕即可成功修复。无论修复前后,这种新型涂层的防腐蚀效率都保持在99%以上,并且能够能有效防止O2、H2O和Cl的渗透,即使在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡168小时后,仍显示出良好的稳定性和防护特性。

这种新型太阳光驱动的“自修复”防腐涂层材料,制备方法简单,无需提供额外的人工条件且具有与商业涂层相媲美的防渗防腐性能,有望实现大规模生产并应用于各种工程防护领域。

图1 自修复涂层的自愈机制示意图

相关成果以 “Anticorrosive composite self-healing coating enabled by solar irradiation”为题,已发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上(DOI: https://doi.org/10.1007/s11705-022-2147-1)。

摘要

Self-healing coatings for long-term corrosion protection have received much interest in recent years. However, most self-healing coatings rely on healants released from microcapsules, dynamic bonds, shape memory, or thermoplastic materials, which generally suffer from limited healing times or harsh conditions for self-healing, such as high temperature and UV radiation. Herein, we present a composite coating with a self-healing function under easily accessible sunlight by adding Fe3O4 nanoparticles and tetradecanol into epoxy resin. Tetradecanol, with its moderate melting point, and Fe3O4 nanoparticles serve as a phase-change component and photothermal material in an epoxy coating system, respectively. Fe3O4 nanoparticles endow this composite self-healing coating with good photothermal properties and a rapid thermal response time under simulated solar irradiation as well as outdoor real sunlight. Tetradecanol can flow to and fill defects by phase transition at low temperatures. Therefore, artificial defects created in this type of self-healing coating can be healed by the liquified tetradecanol induced by the photothermal effect of Fe3O4 nanoparticles under simulated solar irradiation. The healed coating can still serve as a good barrier for the protection of the underlying carbon steel. These excellent properties make this self-healing coating an excellent candidate for various engineering applications.

期刊信息

Frontiers of Chemical Science and Engineering是2007年创刊出版的全英文化学科学与工程领域国际综合性学术刊物,由教育部主管、高等教育出版社、中国工程院与天津大学联合主办,德国Springer公司海外发行,以网络版和印刷版两种形式出版。主编为天津大学王静康院士科院宁波材料所薛群基院士和郑州大学刘炯天院士。该刊重点刊登反映当前化学科学与工程领域热点的优秀学术论文及综述,以快捷方式发表最新研究成果。涉及化学科学与工程的所有领域,主要包括:催化及反应工程,清洁能源,功能材料,纳米科学与技术,生物材料和技术,颗粒技术和多相过程,分离科学与技术,可持续技术和绿色过程等。

· 影响因子 Impact factor:4.803(2022年最新公布)

· 通过Springerlink平台面向全球推广,全球发行

· 国际化审稿平台,随时查询稿件处理状态

· 在线优先出版(Online First)形式,保证文章以最快速度发表

· 无版面费

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中13种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

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