从腐蚀保护基础设施是必不可少的在防止昂贵的失败,与人类生活和结构本身的风险。这通常是通过使用复杂,多层涂层系统。当前有机涂层系统专为恶劣环境下通常是由许多不同类型的涂料层,每提供一组不同的属性。基本系统通常由三层组成,其中可能包括底漆,中间漆和最终的表面涂层。底漆层由epoxy-based典型配方含有相对较高的加载更阳极的金属,如锌(富锌),它提供了一种牺牲保护金属衬底。中间外套通常制定周围溶剂/环氧基与颜料混合含有云母氧化铁的相对较大的部分。中间漆或领带外套是促进底漆涂层之间的附着力和表面涂层层。中间漆也可能提供一个barrier-type抵御腐蚀性物种诸如水,离子或氧气,减缓他们的扩散和金属表面,虽然认识到,有一些限制这些屏障属性由于有机涂层的渗透性等腐蚀性的物种。最后,系统的表面涂层通常是由聚氨基甲酸乙酯或聚硅氧烷。这些材料通常提供抗紫外线除了任何审美finish。

这些系统的重要组成部分在高危环境中有明显的腐蚀是富锌底漆的风险。这些引物自1930年代被广泛用于钢结构的保护。与常规有机颜料,它们提供阴极保护在边缘或涂层的地方是有缺陷的。在FHWA-sponsored“速度”的研究中,¹与富锌底漆涂料表现最好与其他泛型类型的涂料在类似条件下评估。富锌涂料被描述在许多工业和军用规格。协会的油漆20²是一个行业规范,根据车辆类型分类锌底漆。II型涂料是最常见的,包括有机环氧树脂类车辆和湿气固化聚氨酯。

富锌涂料的保护钢的实现主要通过两种效应:涂层本身的屏障作用和电蚀作用。的锌颗粒涂层提供阴极保护。发生电过程的三个条件是必不可少的在钢:

1. 锌粒子必须彼此电接触。
2. 锌粒子必须与钢电接触。
3. 连续电解液锌颗粒和钢之间必须存在。

前两个条件都满足的富锌涂料时包含足够的锌含量高。第三个条件是实现当一个钢护板轴承富锌涂料是湿膜的电解质如盐溶液。富锌涂料的保护作用可能会分解为两个阶段。第一阶段是一个相对较短的阴极保护的钢锌粒子发生。这一时期锌的消耗之后,钢和锌之间的电蚀作用逐渐消失。第二阶段是一个长期的屏障保护,是由于(1)更强的抵抗力的涂料等侵略性物种的渗透水,氧气和盐因为涂层的孔隙被锌腐蚀产物和(2)抑制钢铁表面的锌腐蚀产物。

石墨烯的性质,单层石墨,一直谈到了许多年。除了较高的机械和电气性能,它具有高纵横比,赋予函数作为屏障添加剂的能力。当纳入一个有机涂层系统或主机矩阵,石墨烯nanoplatelets(国民生产总值)提供一个非常曲折的途径,阻止腐蚀性物种的运动行为向金属表面,³一个被动的防腐机制。此外,很小的增加国民生产总值减少水蒸气传播率,⁴指示barrier-type属性,而一些作者还建议一个电化学活动提供的石墨烯在涂料。⁵

使用石墨烯形成High-Risk-Environment系统

使用石墨烯nanoplatelets结合提出了锌和证明都积极和消极的影响,这取决于加载⁶当合并直接在富锌底漆。富锌底漆的效率取决于几个因素:锌加载、粒子大小的影响和粘结剂类型。⁷对于这个工作,我们测试了石墨烯涂层在中间层,应用富锌底漆。graphene-enhanced中间层限制水入口,而富锌涂料提供了牺牲保护钢基体。这种方法的好处是管理到达和激活锌电解液同时通电的活跃的锌和延长生命的保护提供进一步的长期障碍。最终,这项工作旨在确定操作寿命的富锌底漆层可以扩展一个中间层有GNP-enhanced屏障属性,可能减少所需的锌底漆层。

三种不同GNP-containing变异准备(表1),用商用GNP-containing分散添加剂控制中环氧底漆配方。三大类型测试石墨烯nanoplatelets,石墨烯氧化物nanoplatelets减少和降低石墨烯氧化物的组合和一个有效的缓蚀剂。制备涂层的干膜厚度的范围是在150 - 160微米的完整的涂层系统。

环氧树脂的固化剂配比可以计算出一个适当的固化剂基于EEW和AHEW值。在这项研究中二亚乙基三胺作为固化剂添加的速度11每几百。

石墨烯在屏障系统的表现

ISO12944形式由防护漆防腐系统的行业标准,并描述了三个测试——水凝结,中性的盐雾和循环老化——展示表现C4和C5条件。作为初步筛选实验,我们选择中性的盐雾(NSS, ISO 9227)识别系统与潜在的扩展性能。结合电化学阻抗谱(EIS),我们的行为监测水涂料在定义的时间间隔内(图1)。当应用于有机基质的研究保护防腐涂料、阻抗值,水吸收和腐蚀电位提供腐蚀保护的象征。

使用组合方法的指示在测试早期涂料行为之间的差异,在视觉评估腐蚀将显示没有区别。摘要回顾有关快速固化环氧树脂的性能管道和储罐衬里,唐格et al⁸描述使用EIS作为筛查工具,涂层的阻抗测量0.1赫兹的频率可以用于筛选材料。在这项研究中,研究小组分配阻抗值小于10⁶Ohm.cm²可怜的涂料,阻抗值10¹⁰Ohm.cm²及以上,优秀的涂料。这些值之间,一个好的涂料将是10的阻抗值的顺序⁸欧姆。厘米²10点开始,屏障保护⁶欧姆。厘米²。控制样本,组成的富锌底漆,一层环氧树脂原型基础和聚氨酯面漆,显示最低的10的整体阻抗值的顺序⁴到10⁵Ohm.cm²表现不佳,表明(图2)。通过引入国民生产总值的中间层three-coat系统,我们观察到维护一个更高层次的阻抗的实验,表明将国民生产总值行为增加屏障系统作为一个整体的性能属性。测试的三个系统中,石墨烯nanoplatelet系统(D2)显示的最大障碍改善性能,通过控制五个数量级,表明这个系统表现最好的屏障。

EIS的反应如此之高阻抗涂料在最开始接触严酷的C4 / C5-type环境是由一个电容行为;涂层本质上是作为dielectric-type电容器。后接触这些严酷的环境下,水可能进入涂层,影响它的电容。根据内在属性,水的介电常数是在该地区的涂料的30倍,导致电容的增加,水的渗透。这种变化在电容因此相关水吸收涂层,因此可以计算。⁹水吸收(^c_v)数据表明,控制样本,一个明显的水吸收水平达到前72小时点和有关这个样本的相对较低的阻抗值。相比之下,石墨烯nanoplatelet-enhanced领带外套系统显示远水吸收和出现在测试期间稳定;这些低水吸收值与相对论高阻抗值graphene-enhanced样本。所有水吸收概要GNP-enhanced外套显示增加吸收后初始扩散阶段(高),表明存在的自由和束缚水GNP-enhanced涂料。对于这些three-coat系统,没有观察到明显增加水吸收所有样本,表明水吸收主要发生在最初的72小时内几乎没有改变促进控制曝光和激活的片状锌底漆(图3)。

水吸收数据显示多少水被吸收,但另一个问题是它已渗透到多远。这可以解释从腐蚀电位值不同的系统(图4)。控制样本显示较低的潜力,更接近比裸钢锌,表明水破坏的表面涂层和中间漆非常早期的测试。下降低于裸钢的腐蚀电位是D1-incorporated也看到样品后720小时,建议一个较小的性能比其他两个GNP-containing样本,与D2系统表现最好的。

经过1440小时的曝光时间(最大曝光需要在ISO12944 C4/5高度腐蚀性大气)没有观察到明显的腐蚀的样品。我们预料后续视觉评估将揭示样本之间的差异更明显的腐蚀控制样本。缺乏视觉的迹象,防腐性能突出了EIS的相关性,观测到的样本性能明显不同的地方。

前景

石墨烯是一种材料,是许多新技术的最前沿。2022世界杯八强水位分析它有一个非常高的长宽比与其他无机填料屏障,并设想是下一代的屏障添加剂。此研究表明,石墨烯可以带来的好处一个保护性涂层使用富锌底漆系统来提高性能和寿命。延长寿命可能有一些影响;延长维护时间降低成本、改善全球变暖潜力和其他生命周期分析指标通过能减少释放塑料微粒通过表面处理和涂层过程中挥发性有机物由于减少了维护活动。

引用

¹阿普曼,开国元勋之一B.R.安贝德卡对;布鲁诺,正当;和韦弗,美国投资环境中的替代涂料的性能(速度),供料号报告书- rd - 89 - 127,供料- rd - 89 - 235和供料- rd - 89 - 236,联邦高速公路管理局,华盛顿特区,1990年9月。

²协会的油漆20我无机和II型有机富锌涂料类型。

³p .奥卡福et al。进步在有机涂层卷》88(2015年),p.237 - 244。

⁴k . Choi et al: ACS Nano卷9(2015),5818 - 5824页。

⁵美国Aneja et al: FlatChem Vo1。1 (2017),p, 11-19。

⁶Hayatdavoudi, H。杂志的合金和化合物卷727,2017年12月15日,p . 1148 - 1156。

⁷张X.G.第十二章页337 - 349锌的腐蚀和电化学。

⁸m·唐格et al: JPCL-PMC (1998), p . 36-51。

⁹快速的电化学评估油漆,Gamry仪器,技术应用。