論文推薦 | 海洋化工研究院有限公司海洋涂料國家重點實驗室和山東科技大學(xué)聯(lián)合：耐久超疏水涂層的制備及其防冰防腐自清潔性能
2024-06-13 15:44:49
作者：中國表面工程 來源：中國表面工程
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本文為海洋化工研究院有限公司海洋涂料國家重點實驗室和山東科技大學(xué)聯(lián)合撰寫發(fā)表在《中國表面工程》2024年第37卷第2期的研究論文，題為“耐久超疏水涂層的制備及其防冰防腐自清潔性能”。
鋁合金因其具有抗疲勞強度高、耐蝕性好、焊接性能優(yōu)良、冷加工性較好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于船舶、海洋平臺等領(lǐng)域。鋁合金表面雖然在自然環(huán)境中可以形成氧化膜，但氧化膜很薄，在應(yīng)用過程中易受到損傷，進而對基材造成損傷。此外，鋁合金在海洋領(lǐng)域的實際應(yīng)用過程中亦存在一系列問題，如在低溫天氣下，雨滴在鋁合金器件表面會發(fā)生覆冰現(xiàn)象；易被海水腐蝕，大大縮短其服役年限。因此，在鋁合金基體上制備防冰、防腐、自清潔的超疏水涂層是改善其性能和擴展其應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。
超疏水表面指的是水接觸角超過150°且滾動角低于10°的表面。受自然界動植物超疏水表面的啟發(fā)，研究人員成功地制備和開發(fā)出可應(yīng)用于自清潔、防腐、防結(jié)冰等領(lǐng)域的各種人工超疏水涂層。到目前為止，人們已經(jīng)提出了許多制備超疏水涂層的方法，如噴涂法、電沉積法等，將粗糙的微納米結(jié)構(gòu)與低表面能材料相結(jié)合，得到超疏水表面。然而，目前所制備的超疏水涂層極易受到損壞，主要是因為其粗糙的表面形態(tài)容易被機械磨損破壞，與基材的附著力弱以及對惡劣條件的抵抗力差等，嚴(yán)重影響了超疏水涂層的大面積應(yīng)用。因此，提高超疏水涂層的耐磨性是亟需解決的問題。在超疏水表面的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)中，因微米級結(jié)構(gòu)比納米級結(jié)構(gòu)能夠承受更多的摩擦載荷，微米級結(jié)構(gòu)通常為脆弱且功能性的納米級結(jié)構(gòu)提供保護。使用堅固的粘合劑，如環(huán)氧樹脂（EP）等來改善涂層和基材之間的附著力，同時噴涂改性微納米復(fù)合顆粒來創(chuàng)建微納米結(jié)構(gòu)是大規(guī)模制備耐磨超疏水涂層的有效策略。
因此，海洋化工研究院有限公司海洋涂料國家重點實驗室和山東科技大學(xué)聯(lián)合在《中國表面工程》2024年第2期發(fā)表研究論文《耐久超疏水涂層的制備及其防冰防腐自清潔性能》,在鋁合金基材上通過一步噴涂法制備出耐磨超疏水涂層。將環(huán)氧樹脂涂覆到基體上，待半固化狀態(tài)后噴涂上硬脂酸修飾的混合微米SiO2和納米TiO2顆粒得到具有明顯雙尺度結(jié)構(gòu)的超疏水涂層——接觸角為~155.4°、滾動角為~3°。通過膠帶剝離、砂紙摩擦、紫外光長時間照射以及不同PH液滴等多種條件下測試該涂層的耐磨耐久性，且通過結(jié)冰實驗測試了涂層的抗結(jié)冰性能。通過電化學(xué)測試和長期浸泡測試了涂層的耐腐蝕性能。因TiO2粒子本身具有光降解性能，還進行了涂層的紫外光降解測試以及自清潔、防污測試。
王波,辛蕾,張凱,高健,李好,吳連鋒.耐久超疏水涂層的制備及其防冰防腐自清潔性能[J].中國表面工程,2024,37(2):238-247.
WANG Bo, XIN Lei, ZHANG Kai, GAO Jian, LI Hao, WU Lianfeng. Preparation of Durable Superhydrophobic Coating and Its Anti-icing, Anti-corrosion, and Self-cleaning Properties[J]. China Surface Engineering, 2024, 37(2): 238-247.
本研究在鋁合金基材上通過一步噴涂法制備出耐磨超疏水涂層。首先在鋁合金基體涂覆環(huán)氧樹脂粘結(jié)層，待其達(dá)到半固化狀態(tài)時，噴涂硬脂酸修飾的微米SiO2和納米TiO2粒子混合懸浮液。該涂層水滴接觸角為~155.4°，滾動角為~3°，實現(xiàn)了超疏水性。試驗結(jié)果表明，該超疏水涂層具有較好的耐磨耐久性，在膠帶剝離、砂紙摩擦、紫外光長時間照射以及不同PH液滴等多種測試條件下仍具有良好的超疏水性。此外，此超疏水涂層在極端寒冷的天氣下可以顯著延緩水的凍結(jié)時間。環(huán)氧樹脂和疏水顆粒的協(xié)同防腐作用使超疏水涂層在海水中表現(xiàn)中良好的防腐蝕性能。最后，所制備的超疏水涂層還具有優(yōu)異的自清潔特性，且因TiO2粒子本身的光降解性能，該涂層還可用于光降解污染物和凈化水質(zhì)。
采用簡單的噴涂法在鋁合金基材上噴涂微納米混合顆粒得到雙尺度耐磨超疏水涂層。首先在鋁合金基體表面涂覆環(huán)氧樹脂粘結(jié)層，待其達(dá)到半固化狀態(tài)時，再進一步噴涂硬脂酸修飾的微米SiO2和納米TiO2粒子混合懸浮液，該涂層與水的接觸角為~155.4°，滾動角為~3°，具有優(yōu)異的拒水性。所制備的超疏水涂層具有較好的耐磨耐久性，在各種測試條件下仍具有較好的超疏水性能，包括膠帶剝離19次、砂紙磨損20 cm以及紫外光長時間照射、不同pH液滴測試等。
所制備的超疏水涂層在極端寒冷的天氣下可以顯著延緩水的凍結(jié)時間，約為基體凍結(jié)時間的8倍。同時，環(huán)氧樹脂和疏水顆粒的協(xié)同防腐作用使得超疏水涂層在海水中表現(xiàn)中良好的防腐蝕性能。此外，所制備的超疏水涂層還具有優(yōu)異的自清潔性，且由于TiO2粒子本身的光降解性能，該涂層還可以用于光降解污染物，凈化水質(zhì)。
鋁合金因其具有抗疲勞強度高、耐蝕性好、焊接性能優(yōu)良、冷加工性較好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于船舶、海洋平臺等領(lǐng)域。鋁合金表面雖然在自然環(huán)境中可以形成氧化膜，但氧化膜很薄，在應(yīng)用過程中易受到損傷，進而對基材造成損傷。此外，鋁合金在海洋領(lǐng)域的實際應(yīng)用過程中亦存在一系列問題，如在低溫天氣下，雨滴在鋁合金器件表面會發(fā)生覆冰現(xiàn)象；易被海水腐蝕，大大縮短其服役年限。因此，在鋁合金基體上制備防冰、防腐、自清潔的超疏水涂層是改善其性能和擴展其應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。本研究所制備的簡單、環(huán)保的超疏水涂層在防結(jié)冰、防腐蝕等方面具有潛在的應(yīng)用前景，并為克服傳統(tǒng)超疏水表面使用耐久性差的問題提供了解決思路。
山東科技大學(xué)副教授（學(xué)術(shù)教授），一直致力于金屬基仿生表面的制備及理論模擬研究工作。主持國家自然科學(xué)基金青年基金、山東省自然科學(xué)基金面上項目和博士基金、中國博士后科學(xué)基金面上項目等項目10余項。以第一作者或通訊作者在Small、J. Mater. Chem. A、Mater. Design、Friction、Chem. Eng. J、Nanoscale、Appl. Surf. Sci.等期刊上發(fā)表SCI論文30余篇；以第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專利7項，其中1項實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。兼任中國表面工程等期刊青年編委等。正高級工程師，海洋化工研究院有限公司副總經(jīng)理，青島市產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才，特種功能分子材料教育部重點實驗室學(xué)術(shù)委員會委員、山東省涂料工業(yè)協(xié)會副會長、山東省腐蝕與防護學(xué)會常務(wù)理事，主要從事耐高溫涂料、隔熱涂料、功能防腐涂料等研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文38篇，其中SCI論文14篇；授權(quán)發(fā)明專利20項，發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)2項。正高級工程師，現(xiàn)任海洋化工研究院有限公司總經(jīng)理、海洋涂料國家重點實驗室主任，是中國涂料工業(yè)協(xié)會副會長、中國涂料工業(yè)協(xié)會防腐涂料分會會長。長期從事環(huán)保防腐涂料、功能涂料及材料的研究開發(fā)和科技管理工作，積極開展環(huán)保防腐涂料、功能涂料的共性技術(shù)研究，自2016年以來發(fā)表文章5篇、獲得授權(quán)專利6項、承擔(dān)重大國家級科研項目5項，獲得“全國石油和化學(xué)工業(yè)管理創(chuàng)新成果獎”、“涂料工業(yè)行業(yè)杰出人物”等各項榮譽5項。
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