基于仿生結構聚合物防護涂層設計制備方面取得進展

　　設計與開發智能自愈合材料作為工程涂料的基體樹脂是材料腐蝕防護技術領域的研究熱點之一。智能涂層是指涂層材料在服役過程中遇到機械劃傷或意外損害時，材料自身能夠通過一定機理使損傷得到修補，并恢復材料的機械性能和防護功能，被認為是延長工程涂料壽命和提升安全性的可靠途徑。天然生物結構材料具有出色的性能以及高度適應性，啟發和指導科學家合成新一代先進功能材料。兼具卓越韌性和魯棒性的天然珍珠母就是典型代表之一，而人們獲得的仿珍珠母納米材料機械屬性優、適應性強，但缺少必要的柔韌性和自愈能力。因此，將天然珍珠母的仿造理念與自愈合涂層構建原理集成于人造材料系統，是獲得高性能仿生復合涂層并兼顧有效自愈特性的可行途徑，同時，構建仿生涂層的層狀復合結構被證實是實現超防腐性能涂層開發的可靠技術。

　　中國科學院金屬研究所材料腐蝕與防護中心劉福春課題組根據仿生材料設計理念，將生物基環氧基質與氧化石墨烯雜化物互相整合到聚合物涂層的設計過程中，獲得了新型可自愈、高性能仿珍珠生物基納米復合涂層。相關研究成果以Supramolecular engineering of nacre-inspired bio-based nanocomposite coatings with exceptional ductility and high-efficient self-repair ability為題，在線發表在Chemical Engineering Journal上。

　　具體實施方案如圖1所示，科研人員將具有四重氫鍵的柔性側鏈引入腰果酚環氧聚合物網絡，構建了生物基自修復彈性體，再將含有異氰酸酯的脲基嘧啶酮（UPy-NCO）改性的氧化石墨烯（GO-UPy）嵌入到上述自修復型生物基預聚物體系當中，最終通過體系中溶劑蒸發與預聚物交聯成膜過程獲得了機械性能優良的仿生納米復合涂層。基于典型的類珍珠層結構的構建，仿生涂層顯示了優異的柔韌性（617 %）和極限拉伸強度（5.1 MPa），實現了涂層實用修復性能和優良的機械強度。得益于樹脂網絡內部的高密度四重可逆氫鍵作用，該涂層材料具有室溫高效自愈能力（10 min），有效延長了涂層的服役壽命。此外，氧化石墨烯納米片賦予了仿珍珠納米復合涂層出色的屏蔽腐蝕介質滲透能力。

圖1.自修復仿生納米材料的構建策略示意圖。a、GO與生物基環氧樹脂的預處理和混合路線；b、通過攪拌分散機獲得的高分子納米材料的懸浮體系；c、溶劑蒸發得到的珍珠狀納米復合材料；d、生物基聚合物網絡和具有超分子四重氫鍵的UPy的結構圖；e、人造珍珠層的結構和超分子氫鍵締合的原理

圖2.仿生納米復合涂層：橫截面顯微示意圖（a）SEM和（b）TEM；（c）Stress-Strain曲線；（d）在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡45天的電化學EIS圖；（e）防腐蝕機制與自修復原理示意圖