环境响应防腐蚀涂层研究取得新进展
发布日期：2022-10-14
近日，Kaiyun(云开·中国)官方网站“能源材料与电化学”辽宁省重点实验室安百钢教授团队成功研究开发了一种以氧化锌量子点为阀门，实现对多孔TiO
2纳米容器中缓蚀剂封装并具有环境响应性质的功能型耐腐蚀涂层。研究成果以题为“Self-Healing Coating with a Controllable Release of Corrosion Inhibitors by Using Multifunctional Zinc Oxide Quantum Dots as Valves”在线发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。
化学工程学院2020级博士研究生田兆文为论文第一作者，导师安百钢教授为通讯作者。Kaiyun(云开·中国)官方网站李苏宁博士、鞍钢技术研究中心陈义庆研究员和南开大学刘遵峰教授为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和Kaiyun(云开·中国)官方网站-海洋装备及应用金属材料国家重点实验室联合基金项目支持。
据了解，传统有机防护涂层使用过程不可避免地会产生划痕、微裂纹、机械应力和老化引起的分层等损伤。通过向传统防护涂层中添加含有缓蚀剂并能及时响应环境信号而释放缓蚀剂的纳米容器，可弥补涂层缺陷并抑制环境对基体材料的腐蚀。对这类含有纳米容器的自修复涂层，如何实现纳米容器中缓蚀剂的有效封装和对腐蚀环境的快速响应并释放缓蚀剂这对矛盾是此类涂层研究的重点领域。
该研究在中空介孔TiO
2纳米容器(HMTNs)表面引入一种多功能氧化锌量子点(ZnO-QDs)作为阀门来调控苯并三氮唑(BTA)的封装与释放。即通过制备和利用直径6.0 nm的ZnO-QDs将BTA被封闭在孔径为3.0 nm的HMTN中(图1)。氧化锌量子点对自愈合涂层的防腐起到了多功能作用，不仅能起到及时封闭和释放BTA的作用，其响应酸性环境产生的Zn
2+能与阴极区附近的OH-反应生成Zn(OH)
2保护膜，从而抑制基体碳钢腐蚀(图2）。加速腐蚀实验表明，在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡30天后，HMTNs−BTA@ZnO-QDs涂层的|Z|0.01 Hz值保持在2.87×107 Ω cm
2(图3)。涂层划痕腐蚀测试直观地演示了涂层具有环境响应释放缓蚀剂从而抑制基体腐蚀的作用。
图1. (a) HMTNs−CPTES和HMTN@ZnO-QDs的13C SS-NMR谱；(b) 未负载BTA的HMTN@ZnO-QD的HAADF−SEM图像和对应的元素映射图像；
(c)涂层自修复机理的示意图；(d)样品的X射线衍射图。
图2. (a)样品的热重分析曲线；(b)不同酸度下HMTNs−BTA@ZnO-QDs的酸触发释放曲线；(c)在pH=2的酸性溶液中反应前后Zn2p的XPS高分辨光谱；
(d)在紫外灯下连续调节pH=2.0 (1.0 mol/L HCl)和pH=12.0 (1mol/L NaOH)后，氧化锌-量子点的分解时间和白色沉淀形成时间的光学显微镜照片；
(e)Q235碳钢表面腐蚀区域的扫描电子显微镜图像；(f)腐蚀区域的X射线衍射图。
图3. 在3.5 wt% NaCl中浸泡的涂层|Z|0.01 Hz(a)和Rct(b)随浸泡时间的变化；(c)浸泡1h和192h后，人工划痕区域的环氧涂层、HMTNs涂层、HMTNs−BTA涂层、
HMTNs@ZnO-QDs涂层和HMTNs−BTA@ZnO-QDs涂层的光学显微镜照片。
（供稿：化工学院）