Ti3C2TxMXene作为一种新型的二维层状材料,与表界面保护常用的石墨烯相比,除了都具有高的比表面积、优良的力学性能、极好的导电和导热性等特点外,Ti3C2Tx还拥有少层薄片制备周期短、表面端基对其力学性能影响小和与聚合物界面相容性好等优势。因此,这些优势使Ti3C2Tx具有极高的潜力应用于涂料中发挥防腐和耐磨等功能。
前期工作表明,将少层Ti3C2Tx MXene作为水性环氧树脂的填料,可显著提升涂层的防腐耐磨性能(Progress in Organic Coatings 2019,135,156-167);随后,采用氨基化改性的Ti3C2Tx MXene纳米片改善了其在水性环氧树脂中的分散稳定性及界面行为,从而进一步提升涂层的防腐耐磨性能(Journal of Materials Science & Technology, 2020, 54 144-159);但这其中,还存在Ti3C2Tx MXene易氧化的问题,为阻隔其与氧接触,借助石墨烯对氧和水分子等优异的阻隔效应,构筑了石墨烯包裹的Ti3C2Tx MXene复合抑制剂(Carbon 2020,157,217-233);但随着装备服役环境与工况的极端化发展,在“力-化学”长期耦合作用下,腐蚀介质侵入到涂层与基体界面会形成原电池而加速腐蚀,为解决这一长效防护的难题,采用表面改性技术(微弧氧化和渗氮工艺)构筑了无机与有机协同防护体系,不仅解决了因形成原电池而加速腐蚀的问题,而且显著提升了涂层界面行为和协同防护功效(Corrosion Science, 2020, 174, 108813;Applied Surface Science, 2021, 536, 147974)。
然而,随机分布的Ti3C2Tx所形成的物理阻隔网络对涂层防护功能远低于理论值,这其中至关重要的是Ti3C2Tx纳米片在涂层中的分布取向,Ti3C2Tx在涂层中的排列方式可以归纳为三种类型:垂直分布、随机分布和平行分布。基于二维微纳材料在涂层中的保护原理,当Ti3C2Tx片垂直于涂层表面时,屏蔽效果消失,填料利用率为0%;当Ti3C2Tx随机分布时,填料利用效率为0 ~ 100%,且涂层内部各位置屏蔽效果不均匀,防护效果低于理论模拟值;当Ti3C2Tx平行于涂层表面分布(即垂直于腐蚀介质扩散方向)时,填料利用效率可达到100%,保护性能接近理论预测。
近日,西南交通大学材料服役行为研究团队通过表面功能化使Ti3C2Tx表面电荷由负向正转变,随后,将一定数量带正电荷的Ti3C2Tx与阴极电泳环氧涂料混合,并施加直流电,从而利用电泳沉积技术将Ti3C2Tx定向排列到环氧涂层中形成平行排布阵列,此工艺实现了Ti3C2Tx的定向排列和良好的界面相互作用,使Ti3C2Tx发挥了最有效地防护功能,涂层具有优异的防腐耐磨性能。该文章近日以题为“Achieving parallelly-arranged Ti3C2Tx in epoxy coating for anti-corrosive/wear high-efficiency protection”发表在知名期刊Composite Part B:Engineering上。论文的第一作者为西南交通大学博士生严涵、樊小强研究员,通讯作者为樊小强和朱旻昊教授。
图1. (a) Ti3C2Tx MXene表面功能化(f+-Ti3C2Tx)和(b)环氧复合涂层的制备流程图
图2. f+-Ti3C2Tx片定向排列机理: (a) f+-Ti3C2Tx片在电场作用下迁移和旋转, (b) f+-Ti3C2Tx片间的斥力
图3. 涂层在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡4周后,基底的表面形貌和EDS Mapping图像:(a1-a5) Pure EP, (b1-b5) NDA0.5, (c1-c5) NDA1, (d1-d5) DA0.5 and (e1-e5) DA1.
图4. Qc和Rc拟合结果:(a) Qc值随时间变化数据;(b) Rc值随时间变化数据.
图5. 耐腐蚀机理: (a) pure EP; (b)填料随机排列的涂层和(c)填料平行排列的涂层
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109581
通讯作者简介:
樊小强,工学博士,四川省特聘专家、四川省专家服务团专家。主要从事润滑与防腐材料及材料使役行为等方面的研究,以第一和通讯作者已在Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials and Interfaces、Carbon、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Corrosion Science、Journal of Materials Science & Technology、Applied Surface Science、Journal of Colloid Interface Science、Tribology International和Friction等国际权威期刊发表SCI文章70余篇(他引1200余次),授权国家发明专利12件,获国家自然科学基金(青年、面上、联合基金)等资助。兼任中国机械工程学会表面工程分会青年组特聘专家;中国机械工程学会材料分会委员;中国腐蚀与防护学会铁道设施专业委员会委员;四川省腐蚀与防护学会理事会理事等。获第七届“全国铁路青年科技创新奖”、获2016年度中国科学院院长优秀奖、第七届IFAM优秀青年科学家奖等荣誉。- 西南交大朱旻昊、樊小强等 Adv. Colloid Interfac.:Ti3C2Tx MXene增强聚合物用于磨蚀防护研究进展 2022-10-13
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