中山大学曹发和教授JMST:超分子自组装复合材料!多功能耐用海洋智能涂层
2026-05-18 16:20:13 作者:涂料驿站 来源:涂料驿站 分享至:

 

金属腐蚀是一个全球性的重大难题,每年都会带来无法估量的安全隐患和经济损失。有机涂层是主要的防腐技术,因其易于应用且效果可靠而广受欢迎。然而,传统的有机涂层,如环氧体系,难以在恶劣的海洋环境中保持持续的防护效果。内部缺陷、机械损伤以及强烈的紫外线(UV)照射相互作用,加速了涂层的劣化,使得腐蚀性物质得以渗入并导致基材腐蚀。这一多方面的挑战凸显了对具有集成防护功能的先进涂层的需求,以确保在海洋应用中的长期耐久性

二维(2D)材料因其独特的不渗透性和高表面,为增强有机复合涂层提供了变革性的机遇。2D纳米片材料可作为理想的增强剂,提高有机涂层的物理强度和阻隔性能。在广泛研究的2D纳米片材料中,六方氮化硼(BN)纳米片因其优异的电绝缘性(Eg=5.2eV)、对腐蚀性介质(O2、H2O、Cl)近乎完全的不渗透性和结构稳定性而脱颖而出,非常适合海洋防腐。然而,由于聚集/堆叠现象和与聚合物基质的不相容性,BN纳米片的增强效果低于理论预测。因此,调整BN纳米片的表面和界面性能对于充分发挥其在高性能海洋涂料中的潜力至关重要。

已经设计并验证了多种策略来提高BN纳米片的表面活性和与有机树脂的界面结合。尽管这些方法提高了阻隔性能防腐性能,但其复杂的合成过程往往会增加成本并阻碍了可扩展性。此外,它们通常仅解决单一的涂层问题,无法对海洋环境中多方面退化机制提供全面的防护。因此,一种多用途的界面工程策略对于同时提升BN纳米片的分散性、基质相容性和多功能性(如光热限制、主动防腐和耐候性)至关重要的,这对于获得坚固的海洋涂料意义重大。

超分子金属-酚类网络(MPNs)因其可调的物理化学性质而备受关注,这些性质由金属离子和有机配体共同赋予。由于多酚的高粘附性及其多种超分子相互作用(包括金属配位、π-π堆积和氢键作用),MPNs能够在各种基材上自组装。值得注意的是,MPNs具有较宽的近红外吸收范围(650–1350nm),使其能够作为促进涂层缺陷光热限制的多功能平台。鞣酸(TA)作为一种天然多酚,具有广泛的应用和成本效益。Ce3+离子作为环保型缓蚀剂,在多价位点与TA分子中的没食子酰基快速螯合。因此,在MPNs和BN纳米片之间构建界面工程系统有助于BN基复合材料的实际应用,特别是在海洋防护涂层中。同时,了解涂层基质中BN基复合材料的内部机制及功能作用对于弥合材料创新与实际应用之间的差距也至关重要。

近期,中山大学深圳校区曹发和团队采用超分子策略,成功制备了一种多功能海洋智能涂层

通过聚多巴胺(P)的原位聚合和铈-鞣酸酚网络(CePN)的自组装在 BN 纳米片表面上合成超分子BN-P-CePN复合材料,然后将其加入EP基质中,室温固化后获得BN-P-CePN-EP复合涂层。

所制得的涂层具有优异的机械性能,界面附着力为5.7MPa,拉伸应力为21.9MPa。该涂层具有双重刺激响应功能:在808nm近红外光照射下表现的光热限制和pH触发的主动防腐。在模拟的海洋环境中浸泡100天后,该涂层的阻抗模量为5.4×109Ωcm2,比纯EP涂层提高了5934倍,表现出优异的耐腐蚀性。此外,该涂层还具有优异的的耐候性

本研究不仅推动了BN基复合材料在海洋应用中的发展,还为开发具有机械鲁棒性、光热限制、主动防护和长期耐久性的多功能涂层建立了一个通用平台,在海洋防腐领域具有巨大的应用潜力,并有望显著延长海洋设备的使用寿命



合成过程示意图













超分子BN-P-CePN复合材料分步合成过程示意图。



防护原理图













BN-P-CePN-EP涂层多功能防护原理图:(i)物理屏障,(ii)光热限制/主动防护以及(iii)抗紫外线老化。


数据来源与出处


 

相关研究成果以“Supramolecular self-assembled composites as a versatile platform for integrated multifunctional and durable marine coatings”为标题发表在《Journal of Materials Science & Technology》上

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