石墨烯在金属防腐化范畴中的应用“kok官方体育app下载”

 成功案例     |      2022-05-28 00:52
本文摘要:石墨烯在金属防腐化范畴中的应用 金属质料的腐化不仅给社会带来了巨大的经济损失,并且给工业出产、运输及家居糊口带来了宁静隐患。为解决这一问题,常在金属外貌涂覆防腐涂料,这种方法便于施工和维护,且成本低。其道理是操纵涂料固化成膜后隔断氧气、水分子等腐化介质,到达掩护基材的感化。 石墨烯是碳原子以sp2 轨道杂化形成的二维网状碳质料,个中每个碳原子与其相邻的3 个碳原子形成C-C σ 键,按正六边形精密有序分列形成不变布局。

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石墨烯在金属防腐化范畴中的应用 金属质料的腐化不仅给社会带来了巨大的经济损失,并且给工业出产、运输及家居糊口带来了宁静隐患。为解决这一问题,常在金属外貌涂覆防腐涂料,这种方法便于施工和维护,且成本低。其道理是操纵涂料固化成膜后隔断氧气、水分子等腐化介质,到达掩护基材的感化。

石墨烯是碳原子以sp2 轨道杂化形成的二维网状碳质料,个中每个碳原子与其相邻的3 个碳原子形成C-C σ 键,按正六边形精密有序分列形成不变布局。单层石墨烯理论厚度0. 35 nm,具有超大的比外貌积( 达2630 m2/g),超高的力学机能( 杨氏模量达1100 GPa,断裂强度达130 GPa),超快的载流子迁移率( 达15 000 cm2/(V·s))。

凭借这些优异的机能,石墨烯在防腐化范畴获得了遍及的应用。1 石墨烯的制备 1.1 机械剥离法 机械剥离法的应用道理是通过物理感化力降服石墨分子层间的范德华力,进而分散石墨片得到石墨烯。

2004 年,Novoselov 等使用机械剥离法,用胶带重复剥离石墨片直至得到仅一个原子厚度的石墨单片,即为石墨烯。别的,用石墨重复摩擦另一个固体外貌,从而得到附着于该固体外貌上的石墨烯层。早期对石墨烯片层的研究是通过扫描地道显微镜或原子力显微镜的针尖与石墨彼此感化而得到石墨烯的布局。

通过机械玻璃法合成的石墨烯分子缺陷少,但制备时间久、产率低下,不适于大范围出产。1.2 氧化还原法 先将石墨氧化。石墨在氧化历程中,外貌和边沿会形成大量含氧官能团,如—COOH、—C = O、—OH、—O—等。

氧原子进入石墨层间,拉大了氧化石墨层间距。再经超声使得层与层剥离获得氧化石墨烯,最后操纵还原反映将氧化石墨烯中氧化基团还原为C—C 布局,获得石墨烯。

个中,石墨的氧化方法包括Brodie法、Staudenmaier 法和Hummers 法,三种方法均用强质子酸( 如浓H2SO4、HNO3或其混淆物) 处置惩罚原始石墨,形成石墨层间化合物,再操纵强氧化剂( 如KMnO4、KClO3等)对其举行氧化,获得氧化石墨。经超声后得氧化石墨烯,再将氧化石墨烯还原。按照还原方法的差别,可以分为热还原、化学试剂还原、光照还原、水热还原等。1.3 化学气相沉积法( CVD) CVD 法是将含碳化合物作为碳源在基体外貌升温至气态,气态碳源裂解形成的碳原子在金属基体外貌沉积生成石墨烯。

由于铜薄膜对碳源、温度、压力等要求较低,因此一般用铜作为基体,在铜外貌富集石墨烯,这是CVD 中最有前景的制备高质量石墨烯的方法。为了进一步降低石墨烯的制备温度和能耗,Guo 等接纳等离子体加强化学气相沉积法( PECVD),生长温度为700 ℃,在镍/石英衬底上直接生长单层石墨烯,比使用热CVD 合成的石墨烯低250 ℃。Li 等以苯为碳源,在300 ℃下制得质量优异的单层石墨烯片。CVD 法制得的石墨烯质量高、可大面积生长,已成为制备石墨烯的主要方法。

1.4 外延生长法 是指操纵晶格匹配,在一个晶体层基质上生长出另外一种晶体层的方法。基于差别的基底质料,外延生长法可以分为金属催化外延生长法和碳化硅外延生长法。金属催化外延生长法是指特定温度和压强条件下,在基底( 如Pt、Ir、Ru、Cu 等) 外貌举行碳氢化合物(碳源) 的吸附,通过催化剂感化及加热,使吸附气体催化脱氢,从而制得石墨烯。

展开全文 碳化硅外延生长法是通过高温加热碳化硅使其剖析,当外貌硅原子气化脱离后,剩余的碳原子在碳化硅外貌会从头分列聚集形成石墨烯。但这种方法能耗过高(反映温度大于1 000 ℃),且吸附在基底外貌的石墨烯与基底不易分散,因此限制了它的应用。2 石墨烯及其复合质料在金属防腐中的应用 2.1 石墨烯具有奇特的二维片层布局,在涂层中可以层层叠加形成致密隔断层,使小分子腐化介质( 水分子、氯离子等) 难以通过,起到物理隔断感化。

同时,石墨烯杰出的化学不变性和热不变性使其在腐化性情况中或高温条件下均能保持不变。Chen 等用CVD 法在铜、铜镍合金外貌沉积石墨烯薄膜,考查了高温(200 ℃)和双氧水溶液对石墨烯薄膜防护机能的影响。

尝试成果显示,在覆层界限区域下的金属受到了腐化,而沉积了石墨烯薄膜的金属基底外貌没有被氧化。将负载石墨烯涂层(上)和未负载(下)的硬币经H2O2处置惩罚(30%,2 min)后。未受掩护的铜硬币酿成暗褐色,而受掩护硬币保持原外观。

进一步研究发明,石墨烯屏蔽了腐化性介质的扩散,从而制止金属被腐化。别的,将石墨烯膜在高温条件下(200 ℃) 加热4h 后,其布局保持稳定,表白石墨烯膜具有较高的热不变性。Prasai 等用CVD 法在铜外貌沉积了石墨烯薄膜,用转移法在镍外貌负载多层石墨烯薄膜,并别离测试了它们的防腐能力。

尝试成果表白,石墨烯薄膜使得铜和镍的腐化速率相较于裸铜和裸镍别离降低了7倍和20倍。别的,Prasai 等人在这项研究中得出结论:多层石墨烯的防腐机能优于单层石墨烯,且在石墨烯膜的缺陷和断裂处首先发生腐化。Xu 等通过化学气相沉积法(CVD) 别离在铜箔Cu(111)和Cu(100)晶面上生长石墨烯,研究了石墨烯涂层的防腐化机能。

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接纳光学成像法,通过颜色变化对铜外貌的氧化举行了定性监测。石墨烯可以掩护Cu(111)外貌在湿润的空气中不被氧化长达2.5 年,比拟之下,用石墨烯包覆的Cu(100)外貌产生了加快氧化。

这归因于相称的和不相称的石墨烯/Cu 系统之间的界面耦合的差异。对于相称的石墨烯/Cu(111),强界面耦合阻止了H2O 分子的扩散进入,可是在Cu(100) 上不相称的石墨烯形成的褶皱会促进界面处的H2O扩散,从而加快了铜面被腐化。对于石墨烯/Cu(111) 体系,石墨烯和Cu( 111) 的LEED 偏向沟通,C6V 对称石墨烯晶格在C3V 对称Cu(111)外貌上很好地分列,形成一个相称的系统。

可是对于石墨烯/Cu(100)体系,由于C6V 对称的石墨烯晶格与C4V 对称Cu(100) 晶格不匹配,石墨烯晶格与Cu(100) 外貌的任何晶格偏向都不能很好地联合,形成了不相称的系统。该成果表白,石墨烯/Cu 的界面布局是确定防腐机能的关键,这为研究石墨烯涂层的超紧密防腐化提供了新的但愿。

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2.2 石墨烯复合质料为充实发挥各质料的优势,改善单一质料的弱点,并赋予质料新的机能,可将石墨烯与氧化物或高分子聚合物复合形成复合质料,作为防腐化涂层,用于晋升涂料的防腐化机能。Yu 等将纳米TiO2和氧化石墨烯(GO)通过硅烷偶联剂KH550 复合在一起,制备出GO/TiO2复合物,插手2%的GO/TiO2复合物,于水性环氧树脂中制备了复合型防腐涂料。电化学交流阻抗测试成果显示GO/TiO2复合环氧树脂涂层具有优异的耐腐化机能。TiO2负载GO 后,纳米复合物填料填充到涂层微孔傍边,使混淆物体系不易团聚且分离匀称,且由于片状氧化石墨烯形成的“层压布局”阻隔了水、氧气等腐化介质的进入,从而提高了涂层对金属基体的掩护感化。

Mo 等将石墨烯( G) 和氧化石墨烯(GO)作为填料别离与聚氨酯( PU) 复合,并研究了其插手量与聚氨酯复合涂层防腐机能的之间的关系。成果显示,G 和GO 的插手均提高了涂层的防腐机能,插手量取决于填料的润滑和阻隔效应以及插手G 和GO 激发的裂纹影响之间的均衡,最佳添加规模为0.25%~ 0.5%。原因是:差别于纯聚氨酯涂层内腐化介质笔挺的扩散路径,添加石墨烯和氧化石墨烯之后,腐化介质的扩散路径变得弯曲,因此提高了复合涂层的防腐机能。

可是随扩散路径增长,微裂纹呈现的可能性也随之增大,因此当添加量过高时腐化介质可以或许通过微裂纹快速扩散。别的,比拟于氧化石墨烯/聚氨酯涂层,石墨烯/聚氨酯涂层的防腐机能更好,这是因为氧化石墨烯含有的大量官能团粉碎了其晶格布局,影响了它的阻隔机能。Zhan 等通过多巴胺(DA) 与硅烷偶联剂(KH550) 的自聚合改性,制备了新型仿生氧化石墨烯/Fe3O4杂化质料(GO-Fe3O4@(DA+ KH550)),改性后引入了富厚的—NH2和—OH 基团,使GO/Fe3O4在环氧树脂中分离杰出,并通过化学交联反映提高改性纳米填料与环氧树脂的界面粘合性。

电化学阻抗谱(EIS) 测试表白,通过添加0.5wt%改性的GO/Fe3O4质料,与纯环氧树脂和其他纳米填料/环氧复合涂层比拟,GO/Fe3O4环氧涂层的抗腐化机能显著提高,且其硬度比纯环氧涂层提高了71.8%。Sari 等用氨基硅烷和1,4-丁二醇二缩水甘油醚(BDDE)对GO和纳米粘土(NC)举行外貌改性,并将改性后的GO和NC混淆,实现了高效防腐。研究发明:一方面,通过添加改性后的GO 和NC,可以在环氧树脂和钢基体之间形成更强和更不变的粘合键。GO 和NC 颗粒的外貌改性加强了它们与环氧树脂基体的相容性,接枝在GO 片上的氨基硅烷和BDDE分子提供胺和环氧基团,可以在钢基体上与水合氧化物膜形成强氢键,从而导致界面粘合性得以改善。

另一方面,GO 和NC 颗粒填充了环氧树脂的空腔、缺陷,由于扩散途径曲折使得涂层渗透性降低,扩散到涂层基体和涂层/金属界面的电解液可以显著减少。别的,由于NC 和GO 颗粒的巨细和形状差别,二者组合后可以更好地填充涂层孔隙率和空腔,从而提高涂层阻隔机能。

3 石墨烯及其复合质料的防腐机理 石墨烯及其复合质料能有效地掩护金属基体、延缓腐化,其防护感化可作如下解释。1)对于石墨烯而言,金属外貌涂覆涂层后,石墨烯的二维片层布局在涂料中层层叠加,形成了致密的物理隔断层。

小分子腐化介质很难通过致密的隔断层,石墨烯作为杰出的屏蔽剂将金属基体与周围情况相对举行隔断。别的,石墨烯的外貌效应使得石墨烯与水的打仗角很大,水分子很难在石墨烯外貌铺展,从而起到防水感化。

2)对石墨烯复合质料而言,石墨烯与高分子聚合物形成复合,使粒径较小的石墨烯填充到高分子涂料的孔洞和缺陷中,在必然水平上耽误了腐化介质的扩散路径,从而阻止和延缓了腐化介质浸入金属基体,加强了涂层的防腐机能,对基底金属形成杰出的防护。同时,复合后的涂料和金属基体产生化学反映,使金属外貌产生钝化或形成具有防护性的膜层,以加强涂层的防护能力,进一步提高其耐蚀机能。别的,石墨烯具有优良的力学机能,可以提高聚合物涂层的抗磨机能。

4 总结 石墨烯由于具有较好的物理、化学机能,已在防腐范畴的研究中取得了显著的进展,但现有的石墨烯制备方法效率低且成本高,操纵纯石墨烯薄膜作为防腐涂料今朝在工业上无法实现。因此,仍需进一步探究石墨烯的生长机制、摸索制备高产率高质量石墨烯的方法。如何充实操纵石墨烯薄膜和其他高分子质料的长处,制备具有优异防腐化机能的复合质料,仍是研究的重要偏向。别的,还需进一步深入研究石墨烯及其复合质料与基底间形成界面的相称性,以到达更好的防腐效果。

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