化學與材料科學 - 中北大學王智教授團隊 POC：粉煤灰衍生的具有優異超疏水性和耐腐蝕性的聚苯並噁嗪/沸石雙層塗層－鑽石舞台

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有機樹脂塗層是防止金屬腐蝕最有效和最具成本效益的方法，但它始終受到其親水性、脆性和製備過程中引起的孔隙缺陷的困擾。本研究以苯並噁嗪為基體，以廢料粉煤灰製備的沸石A為無機填料，設計製備了濃度梯度變化的防腐塗料。設計的低濃度沸石塗層的上層形成了超疏水表面，而下層中高濃度的沸石提高了塗層與金屬基材的附着力。所製備的雙層塗層具有良好的機械性能、防污性和耐腐蝕性，不僅促進了粉煤灰的高附加值利用，還為防腐塗層提供了新思路。

中北大學先進功能樹脂及複合材料王智教授團隊基於多年的高性能樹脂塗層研究經驗（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.），提出無機-有機互穿結構有利於構造堅固的超疏水表面。基於此，團隊創新性選擇了粉煤灰合成沸石作為無機填料，精心設計了新型雙層梯度結構，研究了其結構與性能的關係，從而製備了具有超疏水性以及出色的機械性能和附着力的防腐塗層。相關成果以「A Fly Ash-derived Polybenzoxazine/Zeolite A Bilayer Coating with Excellent Superhydrophobicity and Corrosion Resistance」為題，被《Progress in Organic Coatings》期刊接收。中北大學碩士研究生王美晨為第一作者。此研究得到了國家自然科學基金、山西省重點研發計劃等項目的資助支持。

在這項工作中，作者以粉煤灰基沸石為無機填料，雙酚a型苯胺基苯並惡嗪為基體，採用噴塗法製備了具有濃度梯度變化結構的雙層塗料（圖1）。利用沸石均勻的孔結構（圖2）與樹脂形成有機-無機互穿網絡，可以提高無機填料與樹脂之間的界面強度。同時，其粗糙的表面和多孔結構，良好的力學和熱學性能使其適合於超疏水防腐塗料的施工。另一方面，在基體選擇方面，苯並惡嗪作為一種新型的高性能酚醛樹脂，具有許多獨特的優點，如分子設計靈活、固化過程中體積收縮接近零、無小分子釋放，固化產物吸水率低、機械強度高、耐熱性高、殘碳量高。交聯聚苯並惡嗪具有高表面覆蓋率和對金屬基底的強附着力，已被證明是單組分防腐應用的有效劑。除了創新選擇基質和無機填料（以粉煤灰為原料合成的沸石具有合成成本低、實現廢物資源化利用、環保等優點）外，精心設計了一種新型的雙層梯度結構，上層沸石濃度較低，下層沸石濃度較高。結果表明，上層較低的沸石濃度提高了表面粗糙度並最大限度地減少了基材與水之間的接觸面積，使雙層結構具有超疏水性（圖3：水接觸角為158.8°±0.9°）。而下層較高的沸石濃度由於其沸石晶體表面存在末端硅羥基對金屬基材具有很強的粘附性，從而具有優異的機械性能（圖4：硬度為5H，附着力為5B）。此外，該塗層還具有優異的抗腐蝕性能（圖5：阻抗高達2.677×108Ω），一方面由於立方體狀顆粒的加入，引入「Z」型曲折路徑從而有效防止海水滲入樹脂；另一方面，超疏水表面可以將空氣困在裡面，形成「保護層」，使液固接觸面積顯着減小，從而更有效地阻止腐蝕性離子到達基材。本文所述塗層的綜合性能對金屬腐蝕防護等應用具有重要價值，其中所討論的結構-性能關係為製備高性能塗層提供了有益的參考。