随着氢能技术在能源、交通和工业领域的迅速发展,安全高效的氢储存和运输系统的发展已成为大规模应用的关键瓶颈。管道氢气运输因其可扩展性和高效率而被视为实现氢能广泛利用的关键途径。然而,氢分子极小且极易扩散,很容易渗透到常见的管道钢材中,如低合金钢、碳钢和API 5L X系列管道钢,从而导致泄漏、脆化甚至失效。因此,开发具有优异阻氢性能的功能性防护涂层被认为是提高氢储存和运输系统安全性的有效策略。
近年来,聚合物基阻氢涂层因其优异的成膜性能、较强的界面附着力和良好的加工性能而备受关注。特别是引入高势垒无机板状材料形成“迷宫结构”,即通过增加扩散路径的曲折度,能够显著延长氢分子在涂层中的扩散路径,从而有效抑制氢渗透。大量的研究都集中在复合树脂阻氢涂层的制备上,采用气相渗透测试方法测定氢渗透系数。石墨烯及其衍生物由于具有高纵横比,已被广泛用作功能性阻隔填料。涂层的阻隔性能不仅取决于填料本身,还取决于聚合物基质、界面结合强度、填料分散性和涂覆方法。此外,石墨烯基涂层还存在原材料成本高、改性工艺复杂的问题,这使得它们难以满足大规模工业应用的需求。更重要的是,在实际的管道氢气输送过程中,氢气渗透性能通常会受到压力和温度波动的影响。尽管气相充氢测试能得出更接近实际条件的渗透率值,但在常温常压下的测量仍无法完全反映聚合物复合涂层在实际使用条件下的阻隔性能。在多温度和多压力条件下对氢渗透的系统研究仍然有限,尤其是在测试过程中直接施加温度和压力的原位研究更是如此。
与石墨烯相比,层状硅酸盐矿物(如云母)具有成本低、丰富可用性和表面化学性质可调等优点,是一种很有前景的替代材料。因此,开发基于层状硅酸盐的氢阻隔复合树脂涂层具有重要的研究意义和实际工程价值。云母是一种层状硅酸盐矿物,具有丰富可用性、优异化学稳定性和高纵横比等特点。将无机云母直接添加到有机树脂中往往会导致团聚和分散性差,产生孔隙和裂缝,从而降低涂层的阻隔性能。通常会采用表面改性来改善云母在聚合物基质中的分散性,从而提高复合涂层的阻氢性能。因此,关于云母-聚合物复合涂层的氢渗透行为的系统性研究仍然有限,尤其是在涉及不同温度和压力的实际使用条件下的性能和潜在机制更是如此。
近期,大连理工大学高伟团队通过刮涂法,成功制备了一种具有优异阻氢性能的改性云母/环氧复合涂层。
将表面改性的云母片均匀分散在环氧树脂基质中,通过刮涂法涂覆在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材表面,制得f-M/EP复合涂层。 含40wt%改性云母的复合涂层表现出最佳的阻隔性能和结构完整性,在25°C和0.1MPa条件下,其氢渗透系数(P1)为36.162cm3·mm/(m2·24h·0.1MPa)。在0.1MPa和5-50°C的温度范围内,该复合涂层的渗透系数随温度呈现典型的Arrhenius行为,拟合关系为lnP1=-3.22×1000/T+14.38,可以预测该范围内的渗透性能。在25°C时,渗透系数随压力从0.1MPa增加到4.0MPa先降低后趋于稳定,到4.0MPa时氢渗透系数达到25.324cm3·mm/(m2·24h·0.1MPa)。与纯EP相比,该复合涂层对温度和压力变化的敏感性显著降低,在复杂条件下仍能保持稳定的阻氢性能。此外,该涂层还具有良好的附着力稳定性,保证了长期的阻氢性能。其制造工艺简单,成本低廉,可大规模生产。 本研究为工程化阻氢涂层的开发和应用提供了一种有效的策略,在氢能存储和运输应用中具有巨大的潜力。 涂层制备及相互作用机理示意图 改性云母/环氧复合涂层的制备及相互作用机理示意图。 相关性示意图 “迷宫效应”结构与阻氢性能相关性示意图。 数据来源与出处 相关研究成果以“Enhanced hydrogen barrier of a modified mica/epoxy coating under varied temperatures and pressures”为标题发表在《Composites Part B: Engineering》上。
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