石墨烯具有獨(dú)特的納米片層結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的導(dǎo)電性、力學(xué)性能和阻隔性能，是近年來復(fù)合材料(涂層)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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(tuán)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)域的應(yīng)用。

       中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋功能材料團(tuán)隊(duì)研究員王立平與趙海超指導(dǎo)的有機(jī)功能涂層小組，致力于石墨烯的化學(xué)和物理改性，以及石墨烯多功能復(fù)合涂層的制備與研究。該團(tuán)隊(duì)基于石墨烯與導(dǎo)電聚合物間的π-π相互作用，通過可控聚合制備可溶性導(dǎo)電聚合物，并結(jié)合超聲分散實(shí)現(xiàn)石墨烯的液相剝離，其在常規(guī)涂料用有機(jī)溶劑中的分散濃度達(dá)5mg/mL，剝離后的石墨烯片層平均厚度在2-3nm(圖1)。通過導(dǎo)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(yīng)，僅添加少量剝離的石墨烯(0.5%)環(huán)氧復(fù)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)工作發(fā)表在Carbon上，并申請國家發(fā)明專利。

圖一．石墨烯分散液的制備示意圖

圖二．石墨烯改性復(fù)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(shí)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)通過微乳液聚合制備了水溶性的導(dǎo)電聚合物乳膠納米粒子作為石墨烯的插層劑(圖3)，實(shí)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，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(kuò)散路徑，減緩腐蝕；導(dǎo)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(fù)合涂層的耐腐蝕性，并通過掃描振動(dòng)電極技術(shù)(SVET)研究表明涂層具有自修復(fù)性能(圖4)。相關(guān)工作發(fā)表在ACS Applied Material & Interfaces上。

圖三.石墨烯雜化物的結(jié)構(gòu)與電鏡照片；雜化復(fù)合涂層的腐蝕防護(hù)機(jī)理與耐腐蝕性研究

圖四.(a)空白水性涂層 (b)導(dǎo)電聚合物復(fù)合涂層 (c)石墨烯雜化復(fù)合涂層缺陷處的局部電流密度分布圖

       研究工作獲得中科院“百人計(jì)劃”、中科院前沿科學(xué)研究計(jì)劃，浙江省石墨烯重大科技專項(xiàng)以及浙江省自然科學(xué)基金的資助。