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  兼顧腐蝕防護(hù)和高效的熱量傳遞是眾多工業(yè)設(shè)備的關(guān)鍵問(wèn)題。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，二者往往存在相互排斥，提升一方面的性能經(jīng)常導(dǎo)致另一種性能的下降。特別是對(duì)于換熱器金屬材料制成的設(shè)備來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題更為突出。復(fù)雜介質(zhì)中金屬容易腐蝕，可能會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)和安全問(wèn)題。研究者經(jīng)常采用有機(jī)涂層來(lái)解決金屬的腐蝕問(wèn)題。但是，傳統(tǒng)的有機(jī)涂層熱導(dǎo)率低，會(huì)不可避免地犧牲設(shè)備整體的傳熱效率，導(dǎo)致能源和經(jīng)濟(jì)損失。因此，在全球節(jié)能減排的雙碳背景下，提升有機(jī)防腐涂層的熱導(dǎo)率，制備兼具高導(dǎo)熱和高防腐性能的涂層具有重要意義。

  針對(duì)上述問(wèn)題，天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)開展了深入研究，選擇具有良好導(dǎo)熱和物理阻隔性能的氮化硼B(yǎng)N和石墨烯G復(fù)合提升熱導(dǎo)率，并且通過(guò)Phe的非共價(jià)改性改進(jìn)填料的分散性及填料/環(huán)氧界面相容性。這樣不僅形成了高效導(dǎo)熱通路，而且提供了出色阻隔作用。改性復(fù)合涂層熱導(dǎo)率達(dá)到1.63 W/(m·K)，比環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率(0.22 W/(m·K))提升了641%。目前國(guó)際上德國(guó)索卡酚、日本米通產(chǎn)品的導(dǎo)熱率在0.6 W/(m·K)左右。根據(jù)理論計(jì)算，涂覆改性復(fù)合涂層的換熱器傳熱系數(shù)損失可以從9.47%（涂有EP涂層時(shí)）大幅降低到1.39%。這樣能基本維持換熱器原有的換熱效率，有效提升能源利用率。另外，功能涂層可進(jìn)一步與金屬表面形成納米鈍化膜，涂層在3.5 wt%的鹽水中浸泡150天后，低頻阻抗模量仍可以維持在10¹¹ohm·cm² 。該工作具有廣闊應(yīng)用前景。

  相關(guān)工作近期以“A novel polymer composite coating with high thermal conductivity and unique anti-corrosion performance” 為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》。天津大學(xué)化工學(xué)院博士生徐飛為論文第一作者，通訊作者為天津大學(xué)化工學(xué)院汪懷遠(yuǎn)教授。

  未改性的填料表現(xiàn)出明顯的聚集，并且截面展現(xiàn)出明顯的孔隙缺陷。這些界面缺陷不僅會(huì)導(dǎo)致大的界面熱阻，而且使得腐蝕介質(zhì)快速滲透。BN和G經(jīng)過(guò)Phe非共價(jià)改性后，如圖1c所示，Phe通過(guò)π-π相互作用修飾BN和G后，Phe上的氨基和羧基可以與樹脂形成共價(jià)鍵和氫鍵，最終的改性BN/G/ /EP 涂層呈現(xiàn)出相對(duì)光滑的表面，并且填料與環(huán)氧基質(zhì)間沒有明顯的界面缺陷。

圖2 (a)不同涂層的熱導(dǎo)率變化和(b)不同涂層的熱導(dǎo)率擬合結(jié)果；涂覆不同涂層((d1) EP, (d2) BN/G/ EP) 的鋁盒中的熱水的(c)紅外熱成像和(d)表面溫度變化; (e)換熱器表面涂層的不同熱導(dǎo)率(k_c)下計(jì)算得到的傳熱系數(shù)損失值 K_loss

  對(duì)功能涂層的熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試，改性BN/G/EP涂層在填料含量為30 wt%時(shí)熱導(dǎo)率已經(jīng)達(dá)到1.63 W/(m·K)，顯著高于環(huán)氧涂層和其他涂層，并且高于現(xiàn)在市場(chǎng)上的多種防腐涂層的導(dǎo)熱值，蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)研究表明制備的功能涂層具有良好的傳熱效果。另外，理論計(jì)算表明，當(dāng)換熱器表面涂覆的涂層熱導(dǎo)率達(dá)到1.63 W/(m·K)時(shí)，整體換熱器的傳熱系數(shù)損失降低到1.39%。這可以有效降低能源消耗和額外的經(jīng)濟(jì)損失。

  改性BN/G/ EP涂層在3.5 wt%鹽水浸泡150天的過(guò)程中，低頻阻抗模量一直維持在10¹¹ohm·cm²以上，并且相角值維持在60°以上，獲得了良好的長(zhǎng)效防腐效果。

圖4 綜合比較不同涂層的熱導(dǎo)率值和|Z|_{0.01 Hz}阻值變化

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135660