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MXene在防腐涂料中的应用

防腐涂料是工业涂料领域最重要的应用之一。在防腐涂料中一般会添加防腐填料以实现良好的防腐功能。一些纳米材料,尤其是二维纳米材料(如石墨烯、氮化硼等)成为防腐填料的热门研究对象。近年来,又出现了一种新型二维纳米材料,MXene。MXene是2011年,由德雷塞尔大学的尤里·高果奇和米歇尔–巴索姆意外发现的一种二维层状过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物,M指过渡金属,X指碳或氮,它是一个新的材料系列,种类丰富。作为一种新型二维纳米材料,与石墨烯等传统二维纳米材料相比,不仅具有大的比表面积,优异的电热性能,还具有丰富的表面官能团,使其具有更好的水分散性和导电性。在涂料领域,可以作为电磁屏蔽涂料、导电导热涂料、光热转换涂料、海洋防腐涂料、防火涂料、防腐涂料等涂料的填料使用。

防腐机理

MXene具有二维层状结构,表面含有丰富的氧、氮、氟、羟基等富电子杂原子和基团。二维层状结构使其具有高的阻隔性能,表面基团使其可以吸附在金属表面并形成配位键,也可以与水与氧发生反应,减少侵入的腐蚀物质扩散到金属表面。

国内外研究进展

环氧树脂常用作防腐涂料的主要树脂材料,国内外对基于环氧树脂的MXene复合涂料研究最广。对于含钛的纯MXene,在与涂料树脂复合之后,水和氧气仍可能通过在缺陷通道的渗透扩散进入涂层,吸附的氧气和水通过氧化反应和降解反应消耗,氧化产物二氧化钛又起到物理阻隔的作用,阻断了缺陷通道的进一步推进,提高了涂层耐腐蚀的稳定性。对于溶剂型环氧树脂,MXene的加入可以减少其微缺陷,添加1%的MXene,涂层即具备较好的防腐性能,可以有效阻止腐蚀介质的渗透。然而,环氧树脂与MXene本身也存在一定的相容性问题,可通过界面改善,比如基于MXene表面丰富的羟基引入缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷偶联剂,可显著改善MXene与环氧树脂之间的相容性,加入0.5%改性MXene的涂层具有最大的最低频率阻抗,同时复合涂层也具有更好的抗划伤性和更高的粘附力。

对于水性环氧树脂,则可以通过多巴胺与MXene表面的羟基反应,改性后的MXene与水性环氧树脂的界面作用以及分散性均得到改善,水性环氧涂料的防腐性能也得到提高。针对环氧树脂可能存在的缺陷,碳点的加入可以提供钝化作用,进一步有效阻止局部损伤带来的腐蚀扩散,增强了环氧涂料耐腐蚀性的持久性和稳定性。针对环氧富锌涂料,改性的MXene(如聚苯胺或聚吡咯改性)可与锌粉形成网络或导电桥接作用,提高锌粉的利用效率。

除了环氧树脂体系,MXene在水性聚氨酯体系中的有效分散同样可以起到物理阻隔作用,延缓腐蚀物质的侵入,改善防腐性能。有研究表明添加0.4%的MXene,复合涂层即可展现出最佳的防腐性能。如果使用二氧化钛对MXene进行改性并引入到水性聚氨酯涂料中,只需要添加0.1%的MXene复合填料,涂层即具备了最佳的耐腐蚀性能。这是由良好的物理屏蔽作用、改善的树脂相容性以及聚氨酯涂层疏水性提高等多个因素带来的优异效果。

如果利用改性后的表面带负电荷的碳纳米管与表面带正电荷的MXene进行复合,则可以形成复杂的三维屏蔽结构,减缓MXene在体系中的无效堆积,分散性提高,并且增加了腐蚀介质进入涂层的渗透距离,防腐性能得到提高。若添加其它有效的功能材料,则可以得到功能化的防腐蚀涂料。如加入二氧化硅可以得到耐磨的防腐涂料,把防污损聚合物接枝到MXene表面,则可以得到防腐防污涂料。

存在问题及发展趋势

纯MXene在涂料中使用存在堆叠趋势和与不同树脂的相容性问题。MXene都需要进行改性和功能化以克服既有的不足。各种新的改性和功能化手段正在不断发展。另外,MXene在涂层中的氧化问题也需要关注,氧化降解会使MXene失去二维结构从而失效。研究人员针对该问题,利用离子液体可捕获氧原子的特性,设计了离子液体功能化的MXene,有效防止MXene材料的氧化降解,使其能够在水和聚合物基体中长效保持二维纳米结构。这给解决MXene的氧化问题提供了一个很好的思路。另外,MXene材料的大批量工业化制备也有待进一步发展。

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