鑽石舞台

■近日，西安建築科技大學博士研究生李香君在國際知名期刊《Chemical Engineering Journal》上發表題為「Bio-inspired self-healing MXene/polyurethane coating with superior active/passive anticorrosion performance for Mg alloy」的研究論文，佟立波教授為該論文的通訊作者。該論文根據絲素蛋白結構和氫鍵及二硫鍵的動態性質啟發，合成了一種具有結合主動、被動防腐和自愈功能的三重作用的智能塗層。二硫鍵及氫鍵引入聚氨酯骨架中，合成了能夠室溫自修復聚氨酯基質。天然氨基酸緩蝕劑修飾的MXene填料提供雜化塗層以主被動防腐性能。所製備的三重功能f-MXene@PU耐蝕塗層表現出優異的防腐性能及自修復能力。

■腐蝕的發生引起金屬材料結構失效及安全事故，全球每年因腐蝕問題造成約2.5萬億美元的經濟損失。耐蝕性差也是阻礙鎂合金廣泛應用的主要因素。提高材料的耐蝕性能是亟待解決的問題。傳統有機塗層是最為經濟便捷的防腐手段，但是有機塗層固化過程難以避免的微孔和裂紋造成其難以長期服役，並且在塗層受到意外劃傷受損後無自修復能力。近年來二維材料的添加及智能塗層的開發，使得傳統有機塗層的壽命得到延長。大自然中生物的自修復能力不斷地啟發和引導人們開發新型智能及功能材料。其中絲素蛋白的β摺疊結構和動態鍵氫鍵及二硫鍵能夠賦予物質自愈能力。

■因此，針對固有有機塗層缺陷及不能自修復的難題。西安建築科技大學佟立波教授課題組，報道了一種受絲素蛋白啟發的結合主動、被動防腐的室溫自修復MXene/聚氨酯雜化塗層。該塗層能夠在室溫條件下實現劃傷表面的自癒合。該塗層在鎂合金表面上表現出優異的腐蝕防護能力，顯著提升的低頻阻抗值（|Z|f=0.01 Hz=2.47×109 ohm cm2）；優秀的長期防腐性能，在浸泡14天後阻抗值只有一個數量級的下降；極化測試表現出超低的腐蝕電流密度（5.107×10-11 A cm-2）；在腐蝕自愈測試中劃傷的塗層能夠自愈，並擁有高達140%的室溫自愈能。

■ 研究要點1：

作者將粘土狀Ti3AlC2通過HF刻蝕製備成風琴狀Ti3C2 MXene。然後選用綠色緩蝕劑蛋氨酸功能化風琴狀Ti3C2 MXene，獲得具有緩蝕作用的二維填料f-MXene。論文中通過原子力、XRD、XPS表徵及熱重分析驗證了f-MXene的成功製備。

圖2. 功能化MXene的製備及表徵。

■ 研究要點2：

作者採用兩步法合成自癒合聚氨酯。在擴鏈過程中將含有二硫鍵及能夠構成氫鍵的兩種擴鏈劑引入聚氨酯骨架中。完全切開的兩部分聚氨酯在室溫環境下放置在一起，經過15小時的癒合後能夠承受手工拉伸。自愈機制為二硫鍵在室溫條件下，在可見光存在時，能夠進行自由基的轉移和交叉反應以及多種組合的氫鍵的動態重建。

圖3. 自修復聚氨酯彈性體的癒合機制，透明性及可拉伸性。

■研究要點3：

將該塗層用於鎂合金表面，電化學極化及浸泡測試結果均表現優異的耐蝕性。f-MXene@PU塗層具有最低的腐蝕電流密度（5.11×10-11 A cm-2），和最低的腐蝕速率（1.167×10-6 mm y-1）。在自愈測試中，劃傷的塗層在浸泡14天仍能保持良好的耐蝕性能。自愈機制如圖1所示，MXene二維填料提升塗層的被動屏蔽作用，延長腐蝕性介質的滲透路徑；氨基酸緩蝕劑在塗層受損後立即形成吸附屏障保護金屬基底；自愈聚氨酯塗層在不需要人工干預的條件下實現室溫癒合；該塗層在三重作用下重建完整的保護塗層。

圖4. 自修復耐蝕塗層極化測試和自愈-耐蝕性能電化學測試及自修復效率的變化。

■這項工作受絲素蛋白結構及動態化學鍵的性質啟發，開發出新型本徵自愈和主/被動防腐三重功能耐蝕塗層。並對其用於鎂合金防腐做了深入研究。該塗層在鎂合金表面上表現出優異的防腐性能，低頻阻抗值顯著提升（|Z|f=0.01 Hz=2.47×109 ohm cm2）；浸泡14天後阻抗值只有一個數量級的下降；極化測試表現出超低的腐蝕電流密度（5.107×10-11 A cm-2）；劃傷後的腐蝕自愈測試中，也表現出高達140%的室溫自愈能力。這項工作提出了一種功能化MXene/聚氨酯雜化塗層，為鎂合金及金屬材料的腐蝕與防護這一難題提出了一種新穎的、綠色、便捷的解決思路於技術支持。

■文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140187