疏水/超疏水防腐涂层物理屏障作用与自修复机制的研究

As a physical barrier, anticorrosive coating isolates the metal substrate from water and other corrosive media, inhibiting the electrochemical reactions of corrosion. However, in a prolonged contact with corrosive environments, continuous water penetration will inevitably weaken the barrier effect, eventually conducting the corrosion cell and resulting in under-coating corrosion. Therefore, an in-depth understanding of the relationship between the influencing factors of barrier effect and corrosion initiation and propagation is required to enhance and extend the coating performance. In this project, the material’s surface free energy and microscopic surface roughness of the coating will be systematically varied to tailor the hydrophobicity of coating. The importance of barrier effect of the corresponding hydrophobic/superhydrophobic coatings in the corrosion initiation and propagation will be studied. This project also proposed a new type of anticorrosive coating which combines the hydrophobicity/superhydrophobicity and self-healing capability, based on the formation of epoxy-polyethylene shape memory semi-interpenetrating networks. Effects of the thermoresponsive shape memory behavior of epoxy and the melting-crystallization process of polyethylene were investigated to understand the self-healing mechanisms of the physical barrier in terms of surface hydrophobicity and coating integrity. This project provides significant scientific and practical values by promoting the application of hydrophobic/superhydrophobic coatings in the field of corrosion protection and proposing a innovative strategy for the development of long-acting ‘smart’ anticorrosive coating.

防腐涂层作为物理屏障使水等腐蚀性介质与金属基体隔离，抑制腐蚀电化学反应发生。然而对于长期处于腐蚀环境的涂层，渗入的水会不断削弱物理屏障作用，最终形成腐蚀电池的导通路径，产生膜下腐蚀。因此，深入理解涂层物理屏障作用的影响因素与涂层下腐蚀萌生发展进程的对应关系，有助于提升并延长涂层的防腐作用。本项目通过改变涂层的材料表面能与微观粗糙度，系统调节涂层疏水能力，研究疏水/超疏水涂层作为物理屏障对抑制涂层下腐蚀萌生发展进程的重要性。在此基础上，形成环氧-聚乙烯形状记忆半互穿网络，创新的将涂层的疏水/超疏水性与自修复能力相结合，研究环氧树脂温敏型形状记忆效应及热塑性聚乙烯熔融-结晶过程对修复破损涂层表面疏水性与涂层完整性的影响，探索物理屏障作用的自修复机制。本项目的开展有助于推动疏水/超疏水涂层在腐蚀防护领域的广泛应用，并为开发长效智能防腐涂层提供了新的思路，具有重要科学意义和实用价值。

近些年来，超疏水表面由于其优异的自清洁和减轻水粘附的能力而受到腐蚀防护领域的广泛关注，通过不同方法制备的超疏水防腐表面也是层出不穷。随着对超疏水表面研究的逐步深入，人们发现其表面精细的微观结构极易遭受破坏，从而导致超疏水性能的丢失和防腐性能的退化。本课题针对这一问题展开深入的研究，首先探究了不同表面微观结构与涂层表面疏水性的关系，揭示了涂层表面微观结构在构筑超疏水表面过程中所起的关键作用；随后本课题采用复模成型法制备了具有超疏水表面的环氧涂层，并研究对比了该超疏水涂层在不同腐蚀加速环境中的腐蚀屏蔽性能。在此研究的基础上，本课题针对涂层表面可能出现的普通物理破损，先后制备出新型的自修复常规环氧涂层和双重自修复能力的超疏水环氧涂层。研究中以具有形状记忆功能的环氧树脂为本体，通过填入可熔融巴西棕榈蜡微球，制备了自修复常规环氧涂层，并通过形貌观察和电化学测试研究了环氧树脂的形状记忆能力和巴西棕榈蜡微球的熔融-结晶过程在恢复涂层屏蔽性能中的各自关键作用与协同效应。随后本课题通过向环氧树脂内部加入缓蚀剂苯并三氮唑，基于复模成型法，制备出了具有双重自修复能力的超疏水环氧涂层。其双重自修复功能主要包括依靠环氧树脂形状记忆功能所完成的对物理缺陷的空间闭合作用，以及苯并三氮唑释放并在金属表面成膜所形成的缓蚀作用这两方面。研究中采用宏观电化学与微观电化学结合的方法，探究了物理缺陷闭合前后该超疏水涂层所展现的自修复能力以及腐蚀防护效果。同时，课题还探究了该超疏水环氧涂层在户外暴晒环境下的自修复行为，实验结果表明仅经过一个小时的户外暴晒，该涂层表面的物理缺陷即完成闭合，缺陷处超疏水结构恢复如初，长期的暴晒实验结果显示该涂层的表面微观结构和屏蔽性并未发生明显的退化，因此该超疏水涂层能够满足长效使用需求。最后，本课题还初步探究了超疏水表面在抗菌领域的应用，并制备出了具有双重抗菌能力的超疏水表面。本项目深入研究了制约超疏水涂层腐蚀防护实际应用的若干重要问题，为发展长效智能防腐涂层技术提供了新的思路。