兼顾腐蚀防护和高效的热量传递是众多工业设备的关键问题。但是，在实际应用时，二者往往存在相互排斥，提升一方面的性能经常导致另一种性能的下降。特别是对于换热器金属材料制成的设备来说，这个问题更为突出。复杂介质中金属容易腐蚀，可能会导致经济和安全问题。研究者经常采用有机涂层来解决金属的腐蚀问题。但是，传统的有机涂层热导率低，会不可避免地牺牲设备整体的传热效率，导致能源和经济损失。因此，在全球节能减排的双碳背景下，提升有机防腐涂层的热导率，制备兼具高导热和高防腐性能的涂层具有重要意义。
针对上述问题，天津大学汪怀远教授团队开展了深入研究，选择具有良好导热和物理阻隔性能的氮化硼BN和石墨烯G复合提升热导率，并且通过Phe的非共价改性改进填料的分散性及填料/环氧界面相容性。这样不仅形成了高效导热通路，而且提供了出色阻隔作用。改性复合涂层热导率达到1.63 W/(m·K)，比环氧树脂的热导率(0.22 W/(m·K))提升了641%。目前国际上德国索卡酚、日本米通产品的导热率在0.6 W/(m·K)左右。根据理论计算，涂覆改性复合涂层的换热器传热系数损失可以从9.47%（涂有EP涂层时）大幅降低到1.39%。这样能基本维持换热器原有的换热效率，有效提升能源利用率。另外，功能涂层可进一步与金属表面形成纳米钝化膜，涂层在3.5 wt%的盐水中浸泡150天后，低频阻抗模量仍可以维持在1011ohm·cm2 。该工作具有广阔应用前景。
相关工作近期以“A novel polymer composite coating with high thermal conductivity and unique anti-corrosion performance” 为题发表在《Chemical Engineering Journal》。天津大学化工学院博士生徐飞为论文第一作者，通讯作者为天津大学化工学院汪怀远教授。
未改性的填料表现出明显的聚集，并且截面展现出明显的孔隙缺陷。这些界面缺陷不仅会导致大的界面热阻，而且使得腐蚀介质快速渗透。BN和G经过Phe非共价改性后，如图1c所示，Phe通过π-π相互作用修饰BN和G后，Phe上的氨基和羧基可以与树脂形成共价键和氢键，最终的改性BN/G/ /EP 涂层呈现出相对光滑的表面，并且填料与环氧基质间没有明显的界面缺陷。
图2 (a)不同涂层的热导率变化和(b)不同涂层的热导率拟合结果；涂覆不同涂层((d1) EP, (d2) BN/G/ EP) 的铝盒中的热水的(c)红外热成像和(d)表面温度变化; (e)换热器表面涂层的不同热导率(kc)下计算得到的传热系数损失值 Kloss
对功能涂层的热导率进行测试，改性BN/G/EP涂层在填料含量为30 wt%时热导率已经达到1.63 W/(m·K)，显著高于环氧涂层和其他涂层，并且高于现在市场上的多种防腐涂层的导热值，蒸发实验研究表明制备的功能涂层具有良好的传热效果。另外，理论计算表明，当换热器表面涂覆的涂层热导率达到1.63 W/(m·K)时，整体换热器的传热系数损失降低到1.39%。这可以有效降低能源消耗和额外的经济损失。
改性BN/G/ EP涂层在3.5 wt%盐水浸泡150天的过程中，低频阻抗模量一直维持在1011ohm·cm2以上，并且相角值维持在60°以上，获得了良好的长效防腐效果。
图4 综合比较不同涂层的热导率值和|Z|0.01 Hz阻值变化
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135660
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