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中北大學王智教授團隊 POC：粉煤灰衍生的具有優(yōu)異超疏水性和耐腐蝕性的聚苯并噁嗪/沸石雙層涂層

2022-08-03 來源：高分子科技

有機樹脂涂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、脆性和制備過程中引起的孔隙缺陷的困擾。本研究以苯并噁嗪為基體，以廢料粉煤灰制備的沸石A為無機填料，設計制備了濃度梯度變化的防腐涂料。設計的低濃度沸石涂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涂層與金屬基材的附著力。所制備的雙層涂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，還為防腐涂層提供了新思路。

中北大學先進功能樹脂及復合材料王智教授團隊基于多年的高性能樹脂涂層研究經(jīng)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-有機互穿結構有利于構造堅固的超疏水表面。基于此，團隊創(chuàng)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系，從而制備了具有超疏水性以及出色的機械性能和附著力的防腐涂層。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(fā)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型苯胺基苯并惡嗪為基體，采用噴涂法制備了具有濃度梯度變化結構的雙層涂料（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(wǎng)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于超疏水防腐涂料的施工。另一方面，在基體選擇方面，苯并惡嗪作為一種新型的高性能酚醛樹脂，具有許多獨特的優(yōu)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(chǎn)物吸水率低、機械強度高、耐熱性高、殘?zhí)剂扛摺＝宦?lián)聚苯并惡嗪具有高表面覆蓋率和對金屬基底的強附著力，已被證明是單組分防腐應用的有效劑。除了創(chuàng)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(xiàn)廢物資源化利用、環(huán)保等優(yōu)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并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于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(yōu)異的機械性能（圖4：硬度為5H，附著力為5B）。此外，該涂層還具有優(yōu)異的抗腐蝕性能（圖5：阻抗高達2.677×10⁸Ω），一方面由于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里面，形成“保護層”，使液固接觸面積顯著減小，從而更有效地阻止腐蝕性離子到達基材。本文所述涂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-性能關系為制備高性能涂層提供了有益的參考。