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中北大學(xué)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(shè)計制備了濃度梯度變化的防腐涂料。設(shè)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(xué)先進功能樹脂及復(fù)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(jié)構(gòu)有利于構(gòu)造堅固的超疏水表面；诖耍團隊創(chuàng)新性選擇了粉煤灰合成沸石作為無機填料，精心設(shè)計了新型雙層梯度結(jié)構(gòu)，研究了其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)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(guān)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(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)的雙層涂料（圖1）。利用沸石均勻的孔結(jié)構(gòu)（圖2）與樹脂形成有機-無機互穿網(wǎng)絡(luò)，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(jié)構(gòu)，良好的力學(xué)和熱學(xué)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(shè)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。交?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(yīng)用的有效劑。除了創(chuàng)新選擇基質(zhì)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(shè)計了一種新型的雙層梯度結(jié)構(gòu)，上層沸石濃度較低，下層沸石濃度較高。結(jié)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(jié)構(gòu)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(dá)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(dá)基材。本文所述涂層的綜合性能對金屬腐蝕防護等應(yīng)用具有重要價值，其中所討論的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系為制備高性能涂層提供了有益的參考。

 

圖1 涂層結(jié)構(gòu)示意圖。


 圖2 粉煤灰基沸石的表征：（a）XRD光譜，（b）IR光譜，（c）N2吸附脫附曲線和孔徑分布和（d）SEM表面形貌。 


 圖3 涂層表面形態(tài)的SEM 圖像、白光干涉圖及表面接觸角：(a)和(d)為BA-a 涂層，(b)和(e) A/BA-a 涂層，(c)和(f) BA-a/A 涂層。


 圖4 (a)鉛筆硬度和(b)附著力測試及其劃痕不同樣品的SEM圖以及不同樣品的紅外光譜(d)，(c)和(e)是(b)的局部放大圖。


 圖5 (a)不同樣品的等效電路圖，(b)阻抗圖及其 (c) 局部放大率，(d) 在 3.5 wt% NaCl 溶液中的極化曲線，(e)涂層的防腐機理圖。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2022.107043

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