近日，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳守剛教授團隊在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》（先進功能材料）上發(fā)表聚氨酯防護涂層創(chuàng)新研究成果，創(chuàng)新研發(fā)出一種“分層界面編程”多功能聚氨酯涂層，集光熱自愈、抗紫外老化、長效防腐三大功能于一體，為海洋工程、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的腐蝕防護帶來革命性突破。

海軍艦船、大型平臺及島礁設(shè)施長期處于高鹽、高濕、高紫外和干濕交替的極端海洋環(huán)境中，摩擦損傷、疲勞老化和剝離失效是防腐涂層壽命縮減的主要因素，如何提高涂層材料的耐磨蝕、維持涂層強附著、降低海工設(shè)施的維護頻率是保障海上通道安全與國防安全的技術(shù)關(guān)鍵。

論文聚焦海工裝備防護廣泛使用的聚氨酯材料，研發(fā)了一種具備分級結(jié)構(gòu)的光熱增強納米纖維/聚氨酯復(fù)合涂層，創(chuàng)新構(gòu)建出一種分級結(jié)構(gòu)納米纖維/PAN@CoMnNi-LDH增強的抗氧化聚氨酯（GAPU）復(fù)合涂層（圖1）。該體系通過靜電紡絲與多金屬原位刻蝕誘導(dǎo)方法，獲得表面負載層狀雙氫氧化物（LDH）納米片的光熱響應(yīng)納米纖維，并將其嵌入引入A300抗氧化單元的聚氨酯基體中，形成“功能纖維骨架+穩(wěn)定聚合物基體”協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。該研究從分子設(shè)計到宏觀性能構(gòu)建了光熱自修復(fù)+耐候增強的融合機制，突破傳統(tǒng)“靜態(tài)防腐”模式。借助界面工程設(shè)計與多尺度協(xié)同增強機制，實現(xiàn)了防腐涂層在光照作用下的快速自修復(fù)、耐磨蝕和長效耐候多重性能的耦合提升。

圖1. 本研究中自修復(fù)耐候PCMN-GAPU涂層制備及結(jié)構(gòu)示意圖

研究通過原位多金屬離子協(xié)同沉積+刻蝕工藝，構(gòu)建出表面均勻負載層狀雙氫氧化物（LDH）納米片的PAN/CoMnNi-LDH納米纖維。該結(jié)構(gòu)兼具寬譜光吸收與高熱轉(zhuǎn)換效率，僅需1 sun模擬日照條件，可在5分鐘內(nèi)修復(fù)劃痕區(qū)域，拉伸強度恢復(fù)率高達98.3%（圖2）。提供了快速高效的熱傳導(dǎo)路徑，耐紫外加速老化能力顯著提升，360小時紫外老化測試涂層光澤度損失僅為2.04%，斷裂伸長率保持超500%，表現(xiàn)出卓越的耐候性。60天的電化學(xué)測試顯示，其|Z|0.01Hz值高達6.16×108 Ω·cm2，遠超常規(guī)聚氨酯防護涂層。

圖2. PCMN-GAPU自修復(fù)表征

進一步結(jié)合FTIR、Raman、DMA、XPS、DFT計算與MD模擬等手段，從分子軌道能級、界面作用強度與鏈段運動行為等多維角度，系統(tǒng)揭示了其協(xié)同防護機理：光熱增強，多金屬摻雜的LDH提升了能帶間遷移率與光吸收能力，在全波段均展現(xiàn)出高效熱轉(zhuǎn)換，激發(fā)熱驅(qū)動鏈段運動。界面工程，PAN/CoMnNi-LDH纖維與GAPU基體間存在強氫鍵作用與良好相容性，有效抑制界面微裂紋擴展，提升抗疲勞性與修復(fù)響應(yīng)效率。協(xié)同耐候，A300單元賦予GAPU主鏈優(yōu)異的光穩(wěn)定性，降低HOMO能級、抑制自由基生成與鍵斷裂（圖3）；纖維與基體間多重氫鍵協(xié)同增強界面穩(wěn)定。

圖3. 多尺度計算模擬結(jié)果

研發(fā)的耐候自修復(fù)防腐涂層由電子結(jié)構(gòu)調(diào)控+分子鏈設(shè)計+界面網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑共同賦能，不僅保障了涂層在光熱修復(fù)過程中的結(jié)構(gòu)完整性，也支撐其在海洋高紫外、高鹽霧、高濕度等復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)長期、穩(wěn)定的“全壽命周期防護”能力。這項研究不僅開發(fā)出一種高性能防護涂層，更展示了一種可擴展的多功能材料設(shè)計范式，通過分子修飾與納米結(jié)構(gòu)協(xié)同，實現(xiàn)了自愈、防腐、抗老化的有機統(tǒng)一。隨著全球?qū)�基礎(chǔ)設(shè)施耐久性要求的提高，這種“陽光自愈型”智能涂層有望在綠色維護、減少人工干預(yù)、延長服役壽命方面發(fā)揮重要作用，為海洋裝備防護可持續(xù)發(fā)展提供材料支撐。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金、山東省重大創(chuàng)新工程項目、山東省自然科學(xué)基金、中央高�；�本科研業(yè)務(wù)費專項資金等項目的資助。