在高温、高压及高浓度CO?等严苛环境下，金属材料易发生腐蚀，导致设备寿命缩短、维护成本增加，并威胁安全运行，同时也阻碍了碳捕集与封存（CCUS）技术的推广。环氧树脂涂层因其优异的耐腐蚀性和化学稳定性成为主流防腐手段，但其固化过程中易产生微孔和裂纹，为腐蚀介质渗透提供了通道。无机填料（如SiC）虽能提升涂层硬度与耐高温性，但其与环氧树脂的相容性差，易分散不均且界面结合弱，反而降低涂层的整体性能。因此，如何通过改性SiC填料优化其与树脂的界面结合，成为提升涂层防护性能的关键挑战。

  针对上述问题，汪怀远教授及王池嘉团队通过超支化聚合物（HBP）对SiC填料进行表面改性，以增强其与环氧树脂的界面结合力，从而提升涂层的耐磨性和耐腐蚀性。研究采用一步法合成含羟基和羧基的超支化聚合物，将其接枝于SiC表面，制备超支化改性填料（HBP-SiC）。通过实验表征（如红外光谱、接触角、SEM等）和分子动力学模拟（MD），系统分析了改性填料的表面特性、涂层微观结构及腐蚀介质扩散行为。结果显示，HBP-SiC填料通过共价键和氢键作用显著改善与环氧树脂的相容性，降低腐蚀介质渗透速率，使涂层在高温高压条件下仍保持优异的防护性能。

  近日，该研究成果以“Enhancing Interfacial Properties of Epoxy Coatings via Hyperbranched Modification of SiC Fillers: Experimental and Simulation Insights”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。

图1 (a)环氧树脂、(b) 胺类固化剂、(c)交联环氧树脂、(d)EP涂层、(e)SiC填料、(f)EP/SiC_5%涂层、(g)EP/SiC_20%涂层、(h)EP/SiC_30%涂层、(i)HBP-SiC填料、(j)EP/HBP-SiC_5%涂层、(k)EP/HBP-SiC_20%涂层和(l) EP/HBP-SiC_30%涂层的MD建模图

1.填料改性及表征

  如图2所示，以柠檬酸（CA）和三羟甲基丙烷（TMP）为原料，在140℃下通过缩聚反应合成超支化聚合物，并通过脱水缩合接枝到SiC表面。

图2 HBP-SiC填料的制备工艺流程图

  红外光谱（FTIR）证实HBP-SiC表面成功引入羧基（C=O, 1735 cm?1）和醚键（C-O-C, 1030 cm?1）；接触角测试显示HBP-SiC的亲水性显著提升（接触角从80.77°降至6.93°）；电镜（SEM）显示改性后SiC表面覆盖均匀有机层，无颗粒团聚。

图3 SiC和HBP-SiC填料的FTIR光谱、接触角测试与SEM图

2.涂层性能测试

  由图4可知，SiC填料添加量提升至20%及以上时，同添加量的HBP-SiC环氧复合涂层的平均质量损失少于未改性SiC填料，尤其是当HBP-SiC填料添加量在30%时，可使涂层磨损质量损失降至0.0124 g，较未改性SiC涂层（0.0250 g）提升显著。这表明超支化填料含量的提升增强了涂层内部环氧树脂与填料的交联强度，超支化改性可以提升无机填料的添加上限。

图4 (a₁, a₂) EP/HBP-SiC_20%、(b₁, b₂) EP/HBP-SiC_25%、(c₁, c₂) EP/HBP-SiC_30%、(d₁, d₂) EP/SiC_20%、(e₁, e₂) EP/SiC_25%和(f₁, f₂) EP/SiC_30%涂层摩擦后的SEM图

  图5为不同添加量的EP/HBP-SiC涂层的电化学阻抗测试结果。EP/HBP-SiC_30%涂层，在苛刻腐蚀测试后仍然保持最高的阻抗模量，其|Z|^{0.01 Hz}值为1.15 × 10¹⁰ Ω·cm²。并且在奈奎斯特图中观察到具有大电容弧半径的电容电路；在波特图中仅观察到电容行为。此外，涂层的低频相角一直在70°以上，低频率高相角值意味着涂层的高阻值，且高频区也无明显下降的趋势。这表明，与EP/SiC涂层相比，超支化改性后碳化硅填料提升了涂层的相容性，延长腐蚀性介质的渗透路径。

图5 不同添加量的EP/HBP-SiC涂层高温高压腐蚀测试后EIS结果：(a)奈奎斯特图，(b)波特图与(c)相角图

3.理论模拟分析

  通过分子动力学模拟计算涂层密度、自由体积分数（FFV）及腐蚀介质扩散系数（D），从原子尺度解释超支化改性对涂层致密性的影响。模拟结果显示，EP/HBP-SiC_30%涂层的FFV（Cl?：1.49%）和D值（Cl?：0.10×10?11 m2/s）均显著低于未改性碳化硅涂层，与实验结果高度一致。

图6 通过MD模拟计算的不同涂层在353 K下的(a)密度和(b)平均密度

图7 (a-g)用Cl^?探测EP、EP/SiC_5%、EP/SiC_20%、EP/SiC_30%、EP/HBP-SiC_5%、EP/HBP-SiC_20%和EP/HBP-SiC_30%涂层的自由体积分布;(h) Cl^?在以上涂层中的MSD曲线

  本研究为极端环境下环氧涂层的填料选择与表面改性提供了理论和实验依据。超支化聚合物通过共价键和氢键作用锚定于SiC表面，其丰富的羧基和羟基官能团与环氧树脂形成多维交联网络，显著提升填料与树脂的相容性。HBP-SiC填料添加量在30%时，可使涂层兼具高耐磨性（磨损损失降低65%）和卓越耐腐蚀性（阻抗模量达1.15 × 10¹⁰ Ω·cm2），且分子模拟与实验结果高度吻合。本研究为超支化改性无机填料在严苛环境下的防腐涂层设计提供了理论支撑，揭示了界面优化与微观结构调控对涂层性能的关键作用，具有重要工程应用潜力。

  全文链接: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161841