石墨烯具有獨特的納米片層結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的導電性、力學性能和阻隔性能，是近年來復合材料(涂層)領(lǐng)域的研究熱點。然而，石墨烯由于其高比表面積和層間作用力使其在高分子樹脂基體中易發(fā)生團聚，無法充分發(fā)揮石墨烯單層或少層的優(yōu)異特性，限制了其在很多領(lǐng)域中的應用。

       中科院寧波材料所海洋功能材料團隊王立平研究員與趙海超研究員指導的有機功能涂層小組，一直致力于石墨烯的化學和物理改性以及石墨烯多功能復合涂層的制備與研究。該團隊基于石墨烯與導電聚合物間的π-π相互作用，通過可控聚合制備可溶性導電聚合物并結(jié)合超聲分散實現(xiàn)石墨烯的液相剝離，其在常規(guī)涂料用有機溶劑中的分散濃度達5 mg/mL，剝離后的石墨烯片層平均厚度在2-3 nm(圖1)。通過導電聚合物對涂層基底的鈍化作用和石墨烯二維納米片層結(jié)構(gòu)的屏蔽和自潤滑效應，僅添加少量剝離的石墨烯(0.5%)環(huán)氧復合涂層的耐腐蝕性、潤滑性和耐磨性都得到了大幅提高。相關(guān)工作已發(fā)表在碳材料領(lǐng)域權(quán)威期刊(Carbon, 2017, 114, 356–366)并申請了國家發(fā)明專利(申請?zhí)枺?016110098128)。

圖1. 石墨烯分散液的制備示意圖

圖2. 石墨烯改性復合涂層的耐腐蝕性與耐磨性

       石墨烯的疏水性使其在水和水性樹脂中的分散難以實現(xiàn)。該團隊通過微乳液聚合制備了水溶性的導電聚合物乳膠納米粒子作為石墨烯的插層劑(圖3)，實現(xiàn)了石墨烯二維納米片在水性樹脂中穩(wěn)定分散，制備的水性環(huán)氧涂層一方面由于石墨烯在基體中形成物理阻隔層延長腐蝕介質(zhì)的擴散路徑，減緩腐蝕；另一方面導電聚合物能夠使金屬表面生成致密的鈍化膜，抑制腐蝕，協(xié)同提高復合涂層的耐腐蝕性，并且通過掃描振動電極技術(shù)(SVET)研究表明涂層具有自修復性能(圖4)。相關(guān)工作已發(fā)表在ACS Applied Material & Interfaces, 2017, 9, 34294?34304.

圖3. 石墨烯雜化物的結(jié)構(gòu)與電鏡照片；

       雜化復合涂層的腐蝕防護機理與耐腐蝕性研究

圖4. (a)空白水性涂層，(b)導電聚合物復合涂層

(c)石墨烯雜化復合涂層缺陷處的局部電流密度分布圖

       上述研究工作獲得中科院“百人計劃”(Y60707WR04)、中科院前沿科學研究計劃(QYZDY-SSW-JSC009)，浙江省石墨烯重大科技專項（2015C01SA790002）以及浙江省自然科學基金(Y16B040008)的資助。