海洋腐蚀和生物污损是海洋环境中常见的两大问题。海洋腐蚀指海水中的氯离子、溶解氧、盐度等是腐蚀的重要介质,氯离子易穿透金属氧化膜,促进腐蚀。另外,温度升高、流速增大通常会加速腐蚀反应。 生物污损是指海洋生物(如藻类、藤壶、贻贝、细菌等)附着在海洋结构物(如船舶、码头、海底管道、海洋平台等)表面的现象。船舶表面的生物污损会使船体粗糙度增加,航速下降,燃油消耗增加。海底管道、冷却系统等的生物污损可能导致管道堵塞,影响流体输送和设备正常运行。会阻碍防腐涂层与金属表面的接触,形成局部腐蚀环境,加速材料腐蚀。 解决这些问题需要综合运用材料选择、涂层防护、阴极保护、生物防治等技术手段。使用功能涂层是一种简单且有效的防护方法,然而,单一涂层很难同时具备防腐蚀和防污性能。 中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室与河海大学、天津大学的研究团队在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“An Integrated Anti-Fouling and Anti-Corrosion Coating Enabled by rGO/AgNPs and Amphiphilic Networks”的研究论文,开发了一种基于载银石墨烯和两亲网络的兼具防腐与防污性能的海洋防护涂层,具有性能优异、制备简便、施工友好及易于规模化推广的显著优势。田澍助理研究员为文章第一作者,卢光明高级工程师为文章通讯作者。论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809924004922#s0170。 该技术通过纳米复合结构设计与界面工程,实现了涂层在极端海洋环境下的长效防护与自修复功能,为深海装备、跨海桥梁等重大工程提供关键材料支撑。
图1 防污防腐一体化涂层的设计示意图。HMME-EP:疏水性四甲基二硅氧烷丁香酚–环氧树脂;IPDA:异佛尔酮二胺;PNIPAM-SH:巯基化聚N-异丙基丙烯酰胺;rGO:还原氧化石墨烯。 研究团队通过多尺度实验验证涂层性能得出结论。涂层凭借低表面能引发的污损释放、接触抑制以及水合效应的三元协同机制,实现了卓越的防污性能。 实验室及海洋现场测试表明,HE-0.3-3涂层对大肠杆菌、副溶血性弧菌和金黄色葡萄球菌的杀灭效率几乎达到100%,且涂层表面几乎无蛋白质、细菌、藻类或其他污损生物附着。 其出色的防腐性能则通过石墨烯的屏障效应、致密的互穿网络(IPN)结构以及钝化作用的三元协同机制得以实现。与纯硅-环氧涂层HE-0-0相比,集成涂层HE-0.3-3在3.5 wt%氯化钠溶液中表现出更高的阻抗和更低的腐蚀电流密度,且在盐雾试验15天后仅发生轻微腐蚀。 图2 (a)此工作中一体化涂层的防污机制;(b)一体化涂层的防腐机制;(c)此工作所构建涂层与其他已报道海洋防护涂层性能对比。 此外,该涂层在钢基材上展现出优异的附着力和自修复能力:附着力强度达15.94 MPa,自修复后缺陷边缘的阻抗值显著提升。该涂层同时满足防污与防腐需求,避免了多层涂装的繁琐工序,从而降低了施工难度和人力成本。 结果表明,所得涂层对蛋白质、细菌、藻类及其他海洋生物具有优异的防污活性,同时因其rGO/AgNPs与亲水性聚合物构成的动态交联网络,还具备出色的防腐性能和一定的自修复特性。
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