中山大学顾林课题组 CEJ：利用荧光猝灭实现环氧防腐涂层中石墨烯宏观分散的可视化与定量评估

石墨烯因其卓越的阻隔性能，在提升环氧防腐涂层防护性能方面展现出巨大潜力。然而，石墨烯在聚合物基体中的分散性是决定其防护性能的关键因素。分散不良会导致聚合物基体中的石墨烯团聚，不仅无法发挥其阻隔优势，反而可能形成缺陷通道，进而加速腐蚀进程。

目前，评估石墨烯在涂层中的分散状态主要依赖扫描电子显微镜和透射电子显微镜。然而，这些技术存在明显的局限：样品制备复杂耗时、易造成损伤，且只能观察局部微观区域，难以反映整个涂层在宏观尺度上的三维空间分散状态。因此，亟需开发一种快速、简便、无损的方法，实现对涂层内石墨烯宏观三维分散状态的可视化和定量评价，以揭示分散状态与防腐性能的内在联系。

中山大学化学工程与技术学院吴青芸副教授、刘胜副教授和顾林副教授合作提出了一种创新策略，成功实现了对环氧防腐涂层中氧化石墨烯（GO）宏观三维空间分散状态的可视化与定量评估。该策略的核心在于巧妙地利用了环氧涂层自身的本征发光特性和GO荧光猝灭效应（图1）。课题组前期研究发现，商业化聚酰胺（PA650）固化剂具有团簇发光性质，使用PA650固化的环氧涂层能发出本征荧光（Chemical Engineering Journal, 2024, 498, 155670）。当向体系中添加GO时，GO凭借其大共轭结构和丰富的含氧官能团，作为电子受体，能有效猝灭邻近PA650聚集分子的荧光。在激光共聚焦扫描显微镜（CLSM）下，GO的存在表现为荧光背景上的暗区（即“阴影”）。基于此原理，通过结合CLSM成像技术、Morisita指数（评估全域分布模式）和颗粒间距概率密度理论（评估局部拥挤效应），建立了一套双定量框架，无需额外添加荧光染料或复杂合成步骤，即可快速、直观地获取GO在环氧涂层宏观尺度（数百微米）上的三维空间分散信息，并进行精确的定量分析。相关研究成果以“Visualizing the macroscale dispersion of graphene based sheets in epoxy anticorrosive coatings by fluorescence quenching”为题发表于《Chemical Engineering Journal》上。

研究亮点

1.首次利用PA650固化环氧涂层的本征荧光和GO的荧光猝灭，结合CLSM，实现了环氧涂层中GO宏观三维分散的无标记、无损、快速可视化。

2.结合Morisita指数和颗粒间距概率密度理论，建立了双定量分析框架，克服了单一指标的局限性，精准地评估了GO的分散状态及其在浸泡过程中的动态演变。

3.研究发现GO在环氧涂层中均匀分散的临界阈值（0.1 ~ 0.25 wt%），低于此阈值的GO在浸泡过程中分散逐渐改善；而高于此阈值的GO则因颗粒间范德华力和物理缠结作用，在浸泡过程中发生二次扩散，分散均匀性显著恶化。

4.利用电化学阻抗谱、等效电路拟合及腐蚀形貌观察等结果与可视化/定量分析结果高度一致证实含有0.1 ~ 0.25 wt% GO的环氧复合涂层，得益于其最优的分散状态，能有效延长腐蚀介质扩散路径，展现出卓越的长期防腐性能（阻抗模量高达10¹⁰ Ω·cm²）。

图1. GO在环氧涂层中宏观分散可视化与定量评估原理图及荧光猝灭现象。(a)利用GO对PA650固化环氧涂层本征荧光的猝灭效应，结合CLSM、Morisita指数和颗粒间距概率密度理论，实现GO宏观三维分散可视化和定量评估的原理示意图。(b) GO加入显著猝灭PA650/乙醇溶液的荧光发射。(c) PA650聚集分子与GO之间发生荧光猝灭的示意图。(d) CLSM荧光模式下，涂覆在载玻片上的GO被PA650固化环氧涂层覆盖后的荧光显微图像，GO表现为暗区，清晰展现其分散状态。

本研究开发了一种快速、简单、高效的策略，利用商业化PA650固化剂赋予环氧涂层的本征荧光和GO的荧光猝灭效应，结合CLSM成像及Morisita指数-颗粒间距概率密度双定量分析框架，首次实现了对环氧防腐涂层中GO宏观三维空间分散状态的无损可视化与量化评估。研究揭示了GO在环氧涂层中均匀分散的临界阈值（0.10 ~ 0.25 wt%）及其动态演变规律：低于阈值的GO分散在浸泡中优化；高于阈值的GO则因二次扩散而恶化。电化学性能与腐蚀形貌结果进一步验证了只有在此阈值范围内、分散状态良好的GO环氧复合涂层，才能发挥GO的最佳阻隔效应，提供卓越的长期防腐保护。该工作不仅为二维纳米材料在涂层中的分散表征提供了强大的新工具，也为理解“分散状态-防腐性能”构效关系、指导高性能防腐涂层的设计与制备奠定了重要基础。此外，研究中采用的乙醇/油胺辅助GO从水相快速转移至二甲苯有机相的界面设计，也为制备稳定、分散良好的GO-环氧复合材料提供了可靠方案。

该工作得到了深圳优易材料科技有限公司戴雷博士的指导和支持，获得国家自然科学基金等项目资助。

论文信息

Mindi Xiao, Yumin Zhang, Xinzhe Xiao, Lei Dai, Qing-Yun Wu*, Sheng Liu*, Lin Gu*, Visualizing the macroscale dispersion of graphene based sheets in epoxy anticorrosive coatings by fluorescence quenching, Chemical Engineering Journal, 2025, 515, 16305.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163504