樊小强、黄银Carbon：二维纳米材料定向排列增强水性环氧涂层之—聚乙烯亚胺修饰氧化石墨烯定向增强水性环氧涂层耐磨性能探究

随着高速载运装备及其关键运动部件运行向极端化发展，要求防护涂层材料必须突破多环境适应性、极端使役的性能稳定性和耐多场强耦合的持久性等诸多应用瓶颈，满足装备及其关键部件防腐蚀、耐磨损、高阻尼等防护性能需求。幸运的是，兼具独特结构与性能优势的二维纳米材料为此提供了契机，作为一种电子仅能在两个维度的非纳米尺度上自由运动的材料，其高长宽比、多功能和易于加工的特点使其成为材料防护领域研究与应用的焦点。前期工作（Composites Part B 231 (2022) 109581）表明，将二维纳米片Ti₃C₂T_x作为填料定向排列于环氧树脂涂层中能显著增强其防腐耐磨性能。基于此，为确保二维纳米增强复合涂层高功效服役，我们主要从以下几个方面持续创新优化，不断提升二维纳米材料定向排列增强环氧树脂涂层的防护性能：

（1）功能化改性增强二维纳米片在树脂基体的界面相容性和分散稳定性。

（2）质子化改性技术调控二维纳米片的表面电荷。

（3）电泳沉积实现二维纳米片在树脂基体中的定向排列。

（4）二维纳米片/环氧复合涂层的防护多功能化。

近日，西南交通大学材料服役行为与安全评价研究团队使用聚乙烯亚胺（PEI）修饰氧化石墨烯（GO）制备了PGO复合材料，并将其引入到水性环氧树脂涂层用于增强其长效服役性能。所制备的PGO复合材料在水性环氧树脂中能够保持良好的分散稳定性和兼容性，分子动力学模拟结果显示其良好的分散稳定性源自PGO与聚合物链分子间氢键网络的形成，促使界面相互作用增强，进而促进了环氧复合涂层中的应力传递。使用分子动力学计算得到涂层的杨氏模量、剪切模量和体积模量，环氧涂层的力学性能也得到显著提升。其次，所制备的复合涂层在高分辨率电镜下呈现出纳米片在树脂涂层中水平排列的断面形貌。进一步的实验结果表明，复合涂层力学性能的提升及平行排列的PGO纳米片带来的最大化填料利用率和石墨烯支撑转移膜的形成，显著增强了水性环氧树脂涂层的耐磨损性能。该文章近日以题为“Experimental and theoretical evaluations on the parallel-aligned graphene oxide hybrid epoxy composite coating toward wear resistance”发表在知名期刊Carbon上。论文的第一作者为西南交通大学硕士生何玉姗，通讯作者为樊小强教授、黄银副教授。

图1. PGO及复合涂层的制备流程。

图2. (a) 环氧涂层(b) PGO/EP复合涂层的力学性能计算；(c-d) 复合涂层的摩擦学性能测试。

图3. PGO在水性环氧树脂涂层中的定向排列。

图4. (a) 纳米片在涂层中定向排列的机理；(b-d) 复合涂层抗磨损机理。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118629

通讯作者简介：

樊小强，工学博士，教授，四川省杰青、特聘专家、省专家服务团专家。荣获温诗铸枫叶奖、广西科技进步一等奖、全国铁路青年科技创新奖、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，入选2022年度斯坦福全球前2%科学家榜单。主要从事磨蚀耦合失效机制和防护技术方面的研究，以第一或通讯作者已在国际权威期刊发表SCI一区论文80余篇（他引2600余次），授权国家发明专利20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工作委员会委员；中国机械工程学会材料分会委员会委员；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常务理事等。

黄银，工学博士，副教授，入选首届“未来女科学家计划”。主要从事材料/结构的失效和防护机理、柔性结构的设计与制备研究，以第一或通讯作者在国际权威期刊发表SCI论文近20篇，授权国家发明专利2件，获国家自然科学基金（青年、面上）、四川省科技计划项目等资助。