中北大学王智教授团队 POC：粉煤灰衍生的具有优异超疏水性和耐腐蚀性的聚苯并噁嗪/沸石双层涂层

2022-08-03 来源：高分子科技

有机树脂涂层是防止金属腐蚀最有效和最具成本效益的方法，但它始终受到其亲水性、脆性和制备过程中引起的孔隙缺陷的困扰。本研究以苯并噁嗪为基体，以废料粉煤灰制备的沸石A为无机填料，设计制备了浓度梯度变化的防腐涂料。设计的低浓度沸石涂层的上层形成了超疏水表面，而下层中高浓度的沸石提高了涂层与金属基材的附着力。所制备的双层涂层具有良好的机械性能、防污性和耐腐蚀性，不仅促进了粉煤灰的高附加值利用，还为防腐涂层提供了新思路。

中北大学先进功能树脂及复合材料王智教授团队基于多年的高性能树脂涂层研究经验（RSC advances, 2017, 7(68): 43181-43185; Applied Surface Science, 2019, 481: 374-378; Progress in Organic Coatings, 2020, 147: 105771; Applied Surface Science, 2020, 507: 145168.），提出无机-有机互穿结构有利于构造坚固的超疏水表面。基于此，团队创新性选择了粉煤灰合成沸石作为无机填料，精心设计了新型双层梯度结构，研究了其结构与性能的关系，从而制备了具有超疏水性以及出色的机械性能和附着力的防腐涂层。相关成果以“A Fly Ash-derived Polybenzoxazine/Zeolite A Bilayer Coating with Excellent Superhydrophobicity and Corrosion Resistance”为题，被《Progress in Organic Coatings》期刊接收。中北大学硕士研究生王美晨为第一作者。此研究得到了国家自然科学基金、山西省重点研发计划等项目的资助支持。

在这项工作中，作者以粉煤灰基沸石为无机填料，双酚a型苯胺基苯并恶嗪为基体，采用喷涂法制备了具有浓度梯度变化结构的双层涂料（图1）。利用沸石均匀的孔结构（图2）与树脂形成有机-无机互穿网络，可以提高无机填料与树脂之间的界面强度。同时，其粗糙的表面和多孔结构，良好的力学和热学性能使其适合于超疏水防腐涂料的施工。另一方面，在基体选择方面，苯并恶嗪作为一种新型的高性能酚醛树脂，具有许多独特的优点，如分子设计灵活、固化过程中体积收缩接近零、无小分子释放，固化产物吸水率低、机械强度高、耐热性高、残碳量高。交联聚苯并恶嗪具有高表面覆盖率和对金属基底的强附着力，已被证明是单组分防腐应用的有效剂。除了创新选择基质和无机填料（以粉煤灰为原料合成的沸石具有合成成本低、实现废物资源化利用、环保等优点）外，精心设计了一种新型的双层梯度结构，上层沸石浓度较低，下层沸石浓度较高。结果表明，上层较低的沸石浓度提高了表面粗糙度并最大限度地减少了基材与水之间的接触面积，使双层结构具有超疏水性（图3：水接触角为158.8°±0.9°）。而下层较高的沸石浓度由于其沸石晶体表面存在末端硅羟基对金属基材具有很强的粘附性，从而具有优异的机械性能（图4：硬度为5H，附着力为5B）。此外，该涂层还具有优异的抗腐蚀性能（图5：阻抗高达2.677×10⁸Ω），一方面由于立方体状颗粒的加入，引入“Z”型曲折路径从而有效防止海水渗入树脂；另一方面，超疏水表面可以将空气困在里面，形成“保护层”，使液固接触面积显着减小，从而更有效地阻止腐蚀性离子到达基材。本文所述涂层的综合性能对金属腐蚀防护等应用具有重要价值，其中所讨论的结构-性能关系为制备高性能涂层提供了有益的参考。