石墨烯是一種二維納米材料，具有良好的力學性能、高的長徑比及優異的阻隔性能，近年來在有機腐蝕防護涂層領域得到了廣泛關注。然而，由于石墨烯和涂層基體樹脂的界面相容性差而導致涂層微孔、微裂紋等缺陷以及由于石墨烯的高導電性可能引起電偶腐蝕限制了其進一步應用。
目前石墨烯改性有機防腐涂層研究大多是利用石墨烯的物理屏障作用提高復合涂層的被動防腐能力，無法滿足涂層在復雜工況條件下的長期使用需求。針對這一問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋功能材料團隊王立平研究員和趙海超研究員指導的博士生劉成寶等設計了系列功能化石墨烯以解決涂層微區缺陷引發的腐蝕反應。通過共價法將綠色緩蝕劑咪唑基離子液體引入到石墨烯表面得到離子液體功能化石墨烯。該功能化石墨烯可均勻分散在水性樹脂中，同時具備一定的緩蝕性，可有效抑制缺陷界面處金屬腐蝕反應，大大增強涂層的防護性能 (Nanoscale, 2018, 10, 8115–8124)。為避免石墨烯-金屬基底及石墨烯片層間接觸所引發的腐蝕促進現象，他們將天然緩蝕劑組氨酸接枝到石墨烯片層中，通過抑制界面處的電荷傳輸，有效提高了涂層的耐腐蝕性能（ACS Appl. Nano Mater. 2018, 1, 1385-1395）。
圖1 (a)納米容器制備及緩蝕劑負載示意圖，(b)緩蝕劑在不同條件下的釋放過程圖，(c)納米容器及 (d)負載緩蝕劑的納米容器在涂層中的分布圖，(e)各涂層體系的氧氣滲透率
為深入探究涂層微區缺陷處電化學反應過程及腐蝕行為抑制機理，研究人員制備了一種石墨烯納米容器及納米容器增強自修復涂層。利用納米容器中環糊精分子與緩蝕劑間的主客體相互作用，實現緩蝕劑分子的負載。納米容器中緩蝕劑的釋放過程表現出pH響應性。依靠石墨烯的阻隔特性，該納米容器一方面可降低腐蝕介質的滲透速率，增強涂層的被動防腐能力。另一方面，當涂層產生缺陷后，缺陷處的腐蝕反應誘導納米容器中緩蝕劑的釋放，并及時在缺陷處吸附成膜，阻止腐蝕反應的進一步發生，表現出一定的自修復性能。相關工作已發表在ACS Applied Material & Interfaces, 2018（DOI: 10.1021/acsami.8b11108）并申請了發明專利（PCT/CN2018/100812.）
圖2 (a)純環氧涂層，(b)納米容器環氧復合涂層，(c)負載緩蝕劑的納米容器環氧復合涂層缺陷處局部電化學阻抗分布圖
上述研究工作獲得了中科院百人計劃（Y60707WR04）、中科院前沿科學研究計劃（QYZDY-SSW-JSC009）、中科院先導專項（XDA13040601）以及浙江省石墨烯重大科技專項（2015C01006）的資助。
論文鏈接：
- 青島大學曲麗君教授課題組：電泳沉積法石墨烯改性聚酰胺織物制備及性能研究 2018-04-25
- 中科院新型石墨烯改性重防腐涂料研究取得重大突破 2017-09-18
