任莫憧1，杨雨萌1，杨旭发1，刘 强2，谢韶春2，游 波*1

（1.复旦大学智能材料与未来能源创新学院，高端装备涂料全国重点实验室，先进涂料教育部工程研究中心，上海200438；2.上海海隆赛能新材料股份有限公司，上海200949）

【目的/意义】为构建高性能水性防腐涂料体系，推动水性涂料全生命周期的可持续发展。【分析/评价/进展】综述了水性防腐涂料用水性树脂的设计及改性、环保型颜填料的筛选与功能化、新型功能助剂的合成及应用，总结了水性自分层、多功能和智能防腐涂料的研究现状，采用全生命周期评价（LCA）分析水性防腐涂料在构筑、使用及废弃处置过程的可持续发展优势。【结论/展望】未来需通过主动-被动协同多重防护机制，发展兼具高防腐性能、长服役寿命和多功能化的水性防腐涂料，以满足严苛环境下的防腐需求。

水性涂料；防腐；树脂设计；全生命周期评估

10.12020/j.issn.0253-4312.2026-118

国家重点研发项目（2022YFA1200079）

E-mail：youbo@fudan.edu.cn

水性树脂是水性防腐涂料的成膜物质，由于树脂（聚合物）分子链上含有亲水基团及小分子亲水表面活性剂的添加等，水性防腐涂层耐水性、致密性、附着力和防腐性较溶剂型涂层低。获得高性能水性树脂是水性防腐涂料设计的关键要素。如水性环氧树脂涂层交联密度大、刚性强，固化过程中水分易被封闭在交联网络中形成微孔，若在树脂分子链中引入界面强化剂或柔性链段，有望提升水性环氧树脂涂层的柔韧性、减少涂层缺陷。Han等用3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（KH560）改性水性环氧树脂，KH560的环氧基团与环氧树脂原位交联形成致密共价键，水解生成的硅醇与锌粉防腐填料或金属基材表面羟基反应，形成Si—O—Zn或Si—O—Fe共价键，可提升涂层附着力、屏蔽性和耐腐蚀介质渗透性，制备的水性防腐涂层可用于严苛海洋环境。Wang等先用邻苯二甲酸酐与新戊二醇合成二羧酸化合物（PNP），再与双酚A（BPA）、双酚A环氧树脂（NPEL-128）反应，构筑端环氧基的长链环氧树脂，树脂中的聚酯链段形成“刚性链（苯环）-柔性链（新戊基）-刚性链（苯环）”的交替序列，避免应力集中导致的涂层微裂纹，增韧并保持模量，同时降低了有毒双酚A用量，水性环氧乳液中的苯环对酯基提供空间位阻屏蔽，同时苯环间的π-π堆砌与高交联密度协同构建致密物理阻隔层，抑制水分子的渗透与攻击，提升酯基的耐水性，树脂中残余羧基与金属基材表面羟基形成氢键或化学键，涂层的附着力、耐水性、耐酸性和防腐性能优异。

水性醇酸树脂的聚合物主链上含有大量酯基，在酸、碱环境易水解，贮存稳定性、耐水性较差，干燥时间偏长。用丙烯酸树脂、硅烷改性可以重构水性醇酸树脂的侧链结构，利用侧链羟基/羧基提供接枝位点，赋予涂层高交联密度，提高涂层耐候性、耐水性、硬度和防腐性能。如Zhao等在醇酸树脂中引入双键，与丙烯酸单体进行自由基聚合，通过调控丙烯酸树脂含量设计醇酸树脂侧链结构，合成水性丙烯酸-醇酸共聚树脂。相较于小分子侧链型共聚物，高支化侧链结构提供的活性基团与聚合物羟基交联固化，构筑高交联密度网络结构，同时聚合物链上的羧基/羟基与基材表面羟基形成氢键与化学键，显著提升涂层的致密性、附着力和热稳定性，涂层具有优异耐水性与防腐性能。Zhang等采用接枝共聚法，以端羟基聚二甲基硅氧烷（PDMS）的Si—OH与棉籽油水性醇酸树脂（CSO-WAR）侧链羧基及羟基发生酯化/醚化反应，形成Si—O—C共价键，将柔性疏水硅氧烷链段接枝到醇酸主链，合成羟基硅油/棉籽油改性水性醇酸树脂，构筑疏水性互穿网络结构，可提升涂层耐水性、耐盐雾性和耐候性；涂层内部未接枝/低接枝的PDMS链段向涂层表面迁移，可实现疏水层自修复和自洁功能，减少污染物长期附着引发的局部腐蚀风险。

单组分水性丙烯酸树脂存在耐水性、耐腐蚀性较差等问题，引入有机氟、有机硅等功能基团改性，利用含氟/硅基团等低表面能链段提升涂层疏水性和耐水性，通过引入可原位交联固化基团，提升涂层交联密度和防腐性能。如Zhong等用丙烯酸酯、十二氟庚基甲基丙烯酸酯（DFMA）、乙氧基二甲基乙烯基硅烷（M3T）为原料，采用无皂乳液聚合法合成水性氟硅-丙烯酸乳胶；氟硅链段以化学键接入聚丙烯酸酯主链上，含氟、硅的侧链在固化过程中自发向涂层表面迁移富集，并利用氟硅侧链与丙烯酸酯主链不相容产生的微相分离增加涂层表面粗糙度，低表面能-高粗糙度协同提升涂层疏水性，阻止和延长腐蚀介质的渗透和侵蚀路径，提升涂层屏蔽性和防腐性能。Yu等以衣康酸（IA）、3-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷（KH571）、丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）为原料，采用半连续种子乳液聚合法合成改性水性丙烯酸酯乳胶，IA的羧基赋予乳胶“自乳化”稳定性，并在成膜时与GMA环氧基、引入主链的三异丙氧基硅烷[—Si（O—iPr）3]侧基水解形成的硅羟基以及自身羧基发生交联反应，提升涂层耐水性；硅羟基也可自缩合为Si—O—Si无机网络，同时与树脂和金属基材的羟基键合，增强界面附着力，通过“有机酸交联-硅氧烷无机网络-界面化学键合”三重机制，显著提升涂层的交联密度、疏水性、附着力和热稳定性，构建高效物理屏蔽层和牢固界面防护层。

水性聚氨酯（WPU）树脂主链上的氨基甲酸酯键在酸、碱环境下易水解，涂层耐水性、耐水解性、耐老化性不佳，通过纳米填料、有机硅树脂等改性，可构建高致密、低渗透、抗水解、高物理屏障的WPU树脂，有望延长涂层在腐蚀性环境中的服役寿命。如Wei等用羟基硅树脂（MQ-OH）改性水性聚氨酯，MQ-OH的羟基与异氰酸酯基（—NCO）反应，构筑化学交联结构；MQ-OH的Si—O—Si主链具有高柔性和低表面能，易与聚氨酯微相分离，成膜过程向表面迁移形成富硅表面，提高涂层疏水性。化学交联-微相分离-氢键-疏水的四重构筑机制提升了WPU的力学性能、耐水性和防腐性能。Huang等设计了多重交联结构的生物基WPU，用二羟基聚二甲基硅氧烷（PDMS）对六亚甲基二异氰酸酯三聚体（HDIT）扩链，再加入再生蓖麻油（CO）和聚四氢呋喃二醇（PTMG）羟基化合物（软段单体）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）（硬段单体），构建聚氨酯主体骨架；以3-异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷（IPTES）为交联剂，原位固化构建致密交联结构的有机硅改性水性聚氨酯涂层（SiX-WPU），PDMS的硅氧烷链段自发向涂层表面迁移富集，涂层的力学性能、热稳定性、贮存稳定性、疏水性、防污性与耐腐蚀性均得到明显改善。

综上，通过对水性树脂进行分子设计或改性，构建高耐性水性树脂，可以提升水性防腐涂层的交联密度、致密性、附着力和耐水性等，增强涂层屏障防护和阻隔作用。

环保型防锈颜填料（如钼酸盐、磷酸锌、锌铝磷酸盐等）在水性防腐涂料的配方设计中必不可少。如Ge等用三聚磷酸铝作水性底漆防锈颜料，其在腐蚀介质渗入涂层时水解释放三聚磷酸根离子（P3O105-）并与腐蚀产生的金属离子螯合，形成不溶性磷酸盐，P3O105-解聚生成焦磷酸根、磷酸根小分子，与金属表面反应形成致密磷化膜，提高了涂层的致密性和对腐蚀介质的阻隔效果。但无机防锈颜填料在水性涂料体系中有部分水溶性等问题，成膜过程易形成微裂纹等界面缺陷，导致涂层致密性及防腐性能较差，构建有机-无机杂化防锈颜填料有望增强与聚合物树脂的界面结合，改善防锈颜填料耐水性差、防腐性能弱等问题。如Zhao等以黏土（ATP）与植酸（PA）为原料，采用水热合成-自组装法构筑有机-无机复合PA@ATP纳米球，将其加入水性环氧树脂体系，纳米球表面有机磷酸基团与金属基材形成不溶性螯合钝化膜，表面羟基等与环氧基团形成氢键与化学键，大幅提升涂层的交联密度和致密性，降低了孔隙率，涂层具有优异的物理屏障与防腐性能。

二维纳米片层填料加入水性涂料中可构建“迷宫式”物理屏障，延长腐蚀介质的渗透路径，但需通过表面改性提升与水性树脂的界面相容性。Li等用多巴胺（DA）接枝改性MXene纳米片，DA的邻苯二酚基团与MXene表面Ti原子形成配位键并保留氨基，降低MXene表面能，提高与水性环氧树脂的界面相容性，改性MXene氨基与环氧基团原位化学交联或强氢键作用，增强了填料-树脂界面结合力，消除界面微孔等缺陷，涂层致密性大幅提高。Lei等用氧化铁改性氧化石墨烯（FrGO）纳米片，与锌粉（Zn）、水性环氧树脂（EP）共混，通过磁场诱导组装技术，得到仿贝壳结构长效水性防腐涂层。FrGO表面的含氧官能团和锌粉表面羟基、环氧树脂极性基团形成化学键和氢键交联网络，消除了传统富锌涂层因锌粉堆积产生的微孔隙，提升涂层致密性；平行排列仿生结构设计可构建FrGO-Zn-EP致密界面结合力，提高了锌粉利用率，涂层具有致密物理屏障保护-长效牺牲阳极保护阴极功能，可用于重防腐领域。表1为二维纳米片层填料的界面改性技术（共价改性和非共价改性），共价改性比非共价改性填料具有更好的分散性。

淀粉/糖基多元醇是以天然淀粉（如玉米、木薯、土豆淀粉等）及其糖类衍生物为起始原料，通过化学改性或液化工艺制备含有多个羟基的生物基多元醇，具有可再生、可生物降解、成本较低等优点。其中异山梨醇（IS）成为研究热点，如陈欢等用异山梨醇对含磺酸基的聚氨酯预聚物进行改性，制备的涂膜表现出良好的防雾性能和透光性。

金属基材在水和氧作用下易发生电化学腐蚀形成闪锈，制约了水性防腐涂层在严苛环境的应用。在水性防腐涂料中加入闪锈抑制剂如N-杂环化合物咪唑、吡啶、喹啉等，可抑制腐蚀离子在金属表面扩散，抑制涂层闪锈。小分子闪锈抑制剂易从涂层中渗出造成环境污染，降低涂层防腐性能，将闪锈抑制剂接枝在树脂基体上可避免这一问题。如Han等将吸附型缓蚀剂苯并咪唑通过巯基-烯点击反应共价接枝在水性聚氨酯分子链上，苯并咪唑环上的N原子及π电子能与金属形成配位键，在金属表面形成致密保护膜，避免闪锈发生，提升水性涂料防腐性能。

水的高表面张力导致水性涂料对基材表面润湿性差，易出现缩孔、针孔。小分子助剂的加入可降低表面张力但易渗出导致涂层缺陷。高分子表面活性剂或增塑剂在降低涂料与基材表面张力的同时不会破坏涂料成膜性和致密性。如You等用聚乙二醇（PEG）表面活性剂乳化聚氨酯，制备高固低黏WPU树脂。PEG上的醚氧基团与WPU分子链中的N—H和C=O形成分子间氢键，缠绕在WPU乳胶粒表面形成亲水空间位阻层及润滑层，阻止粒子团聚，大幅降低水性树脂黏度。Dron等用乳液聚合法制备水性丙烯酸乳胶，反应后期加入2-乙基己基硫代乙醇酸链转移剂（增塑剂），通过原位聚合将低聚物增塑剂引入聚合物乳胶粒内部，实现增塑效果，降低涂层成膜温度，提升涂层致密性和附着力，并保证涂层力学强度和防护性能不变。

通过水性树脂耐水性和耐化学品性的提升、环保型颜填料的筛选及改性、多功能助剂的选择与添加，以及树脂-填料的界面结构设计，可提升水性防腐涂层的综合性能，延长服役周期。

水性自分层防腐涂料的成膜机理为高表面能组分向基材富集、低表面能组分向表面聚集，形成稳定分层结构；分层先于固化交联反应，组分迁移速率大于固化速率，避免结构锁死无法分层。如Chen等以水性环氧树脂为成膜物、包覆氧化亚铜的介孔二氧化硅（MS-CuO，约300 nm）和微米级Zn粉（约5 μm）为填料，利用颗粒尺寸差异驱动沉降自分层（Zn沉降速度约为MS-CuO的278倍），固化过程中Zn快速沉底，MS-CuO因布朗运动和静电排斥（ζ电位-14.7 mV）悬浮于上层，构建顶部富集MS-CuO、底部富集Zn的水性自分层防腐涂层。Zn作为防腐功能载体；MS-CuO中的Cu2O在海水中缓慢释放，抑制微生物增殖实现长效防污，Cu²⁺释放后SiO2骨架为力学支撑层，保证防污层不因物理磨损提前失效，实现涂层长效防腐、防污目的。

水性自分层防腐涂料通过自发形成具有不同功能的梯度复合涂层，可实现一次涂装、多层防护功能，一步完成防腐底漆与面漆的涂装。但在实际应用中面临配方设计复杂、分层可控性差、贮存稳定性不足问题，离规模化生产尚有距离。

为实现“一涂多能”，可在水性防腐涂料中引入其他活性物质，赋予涂层自清洁、防污、耐候、耐高温等额外性能。如Li等在水性聚氨酯中引入长链十八胺接枝风麻籽油多元醇，迁移至涂层表面的长链烷基构筑低表面能疏水层，内部烷基链缠结提升涂层致密性，构建疏水自清洁功能的水性防腐涂层。通过叠加多种改性填料也可实现多功能涂层集成，如Qin等利用界面自组装-表面修饰技术，将片层蒙脱土（MMT）/黑磷纳米片（BP）与缓蚀剂2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑（AMT）复合，构筑多功能二维纳米填料（MBA）；将其加入水性环氧树脂体系，构建润滑-阻燃-防腐多功能涂层。片层结构BP与MMT在剪切应力下发生相对滑动，将滑动摩擦转化为滚动/层间滑移摩擦，有效降低涂层界面剪切应力，磨损率降幅高达94%，MMT的加入抑制了BP氧化降解，实现长效润滑；涂层燃烧过程生成PO·/HPO·淬灭自由基和致密炭层，涂层阻燃性能优异；同时，界面组装MMT/BP复合片层结构提供了致密物理阻隔层，腐蚀发生时MBA中的AMT缓慢释放与金属表面铁离子反应形成致密钝化膜，构建物理阻隔-主动缓释防腐机制，使复合涂层具有优异长效防腐功能。

水性防腐涂料中引入智能响应材料，可构建具有防腐阻隔、自修复、环境感知、防污抗菌等功能的水性智能防腐涂层体系。Li等将改性氧化石墨烯/铈基金属有机框架多级复合结构智能响应材料（GO-CeMOF-P/M）与水性环氧树脂复合，构建兼具力学增强-自预警-主动防护多重功能的纳米复合涂层，适用于各类海洋工程实际工况。有机缓蚀剂2-巯基苯并咪唑（P）和1，10-菲咯啉-5-胺（M）可改善GO-CeMOF与环氧树脂相容性，减少团聚和缺陷；GO纳米片的迷宫效应让CeMOF填补了涂层内部微孔、微裂纹，提升涂层致密性；腐蚀发生时，局部pH变化使CeMOF-P/M解体释放活性物质与基材腐蚀产生的Fe2+配位显色，并形成化学吸附膜，解体产生的Ce离子协同沉积进行阴极防护，使涂层具有腐蚀预警-主动防护功能。Liu等在二硫化钼（MoS2）表面原位生长沸石咪唑酯骨架材料-8（ZIF-8）并负载苯并咪唑（BI），得到MoS2@ZIF-8/BI；再包裹聚多巴胺（PDA），构筑具有核-壳结构的PDA-MoS2@ZIF-8/BI（PMZB）纳米容器；将其加入水性环氧树脂中，构建水性智能防污自修复防腐涂层。当涂层破损时，酸性环境使PDA溶胀破坏ZIF-8骨架，释放缓蚀剂BI以及PDA与基材Fe2+形成配位键构建致密保护膜，释放的Zn2+在阴极区钝化金属起到自修复与腐蚀抑制作用，同时可抑制藻类与细菌附着。

水性智能防腐涂料虽具有自修复、自预警、低碳环保等优异特性，但存在工艺复杂、成本高、修复效率低等缺陷，多处于实验室研发或试用阶段，实际应用尚需优化载体结构，简化制备工艺，提升涂层稳定性。

对水性防腐涂料开展全生命周期评估（LCA），旨在科学量化从原材料获取、生产制备、服役应用直至废弃处理全过程中的综合环境负荷。本章从环境价值、经济成本与社会效益3‍个维度对水性防腐涂料体系的全生命周期进行评价。