設(shè)計(jì)與開發(fā)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(hù)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。智能涂層是指涂層材料在服役過程中遇到機(jī)械劃傷或意外損害時，材料自身能夠通過一定機(jī)理使損傷得到修補(bǔ)，并恢復(fù)材料的機(jī)械性能和防護(hù)功能，被認(rèn)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(jié)構(gòu)材料具有出色的性能以及高度適應(yīng)性，啟發(fā)和指導(dǎo)人們合成新一代先進(jìn)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(jī)械屬性優(yōu)、適應(yīng)性強(qiáng)，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(gòu)建原理集成于人造材料系統(tǒng)，是獲得高性能仿生復(fù)合涂層并兼顧有效自愈特性的可行途徑，而且構(gòu)建仿生涂層的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證實(shí)是實(shí)現(xiàn)超防腐性能涂層開發(fā)的可靠技術(shù)。
最近，中國科學(xué)院金屬研究所材料腐蝕與防護(hù)中心劉福春課題組根據(jù)仿生材料設(shè)計(jì)理念，將生物基環(huán)氧基質(zhì)與氧化石墨烯雜化物互相整合進(jìn)聚合物涂層的設(shè)計(jì)過程中，獲得了一種新型可自愈、高性能仿珍珠生物基納米復(fù)合涂層。研究成果以“Supramolecular engineering of nacre-inspired bio-based nanocomposite coatings with exceptional ductility and high-efficient self-repair ability”為題于2022年2月21日在線發(fā)表在化工期刊Chemical Engineering Journal上。
具體實(shí)施方案如圖1所示, 科研人員首先將具有四重氫鍵的柔性側(cè)鏈引入腰果酚環(huán)氧聚合物網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了生物基自修復(fù)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(fù)型生物基預(yù)聚物體系當(dāng)中，最終通過體系中溶劑蒸發(fā)與預(yù)聚物交聯(lián)成膜過程獲得了機(jī)械性能優(yōu)良的仿生納米復(fù)合涂層。基于典型的類珍珠層結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，仿生涂層顯示了出色的柔韌性（617%）和極限拉伸強(qiáng)度（5.1 MPa），實(shí)現(xiàn)了涂層實(shí)用修復(fù)性能和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度。得益于樹脂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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（10min），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(fù)合涂層出色的屏蔽腐蝕介質(zhì)滲透能力。
本文的第一作者是博士生武浩，通訊作者為劉福春研究員，共同通訊作者為韓恩厚研究員。
圖1：自修復(fù)仿生納米材料的構(gòu)建策略示意圖。 (a) GO與生物基環(huán)氧樹脂的預(yù)處理和混合路線； (b) 通過攪拌分散機(jī)獲得的高分子納米材料的懸浮體系； (c) 溶劑蒸發(fā)得到的珍珠狀納米復(fù)合材料； (d) 生物基聚合物網(wǎng)絡(luò)和具有超分子四重氫鍵的UPy的結(jié)構(gòu)圖；(e) 人造珍珠層的結(jié)構(gòu)和超分子氫鍵締合的原理。
圖2：仿生納米復(fù)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(xué)EIS圖；（e）防腐蝕機(jī)制與自修復(fù)原理示意圖。
