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青科大程莉/山科大劉成寶 Small：基于表面損傷和界面腐蝕可視化分級(jí)預(yù)警的功能防護(hù)涂層
2024-12-18  來(lái)源：高分子科技

  新能源汽車領(lǐng)域的快速發(fā)展引發(fā)對(duì)輕量化、高強(qiáng)、高可靠的結(jié)構(gòu)材料的迫切需求。鎂合金具有輕質(zhì)高強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)，但其低腐蝕電位、高化學(xué)和電化學(xué)活性嚴(yán)重制約了鎂基材料在高濕熱沿海地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用。有機(jī)防腐涂層作為一種有效的防護(hù)措施，在長(zhǎng)效服役期間不可免產(chǎn)生微損傷，腐蝕介質(zhì)可迅速由缺陷處滲透并加速界面腐蝕，最終導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)失效。然而微尺度損傷在實(shí)際工程設(shè)備中極難被及時(shí)察覺(jué)，因此，針對(duì)涂層/金屬系統(tǒng)中局部損傷發(fā)展高效損傷預(yù)警技術(shù)是實(shí)現(xiàn)涂層損傷定位及有效維護(hù)首要要求。


  青島科技大學(xué)程莉特聘副教授和山東科技大學(xué)劉成寶學(xué)術(shù)教授報(bào)道了新型損傷分級(jí)自預(yù)警防腐涂層體系，能夠?qū)崿F(xiàn)從表面涂層損傷到界面局部腐蝕的可視化報(bào)告。該涂層體系由包含具有結(jié)晶紫內(nèi)酯（CVL）內(nèi)核的微膠囊（MCs1）和SiO2納米顆粒的聚氨酯面漆，以及含有酚酞（PHP）填充微膠囊（MCs2）的底漆組成。一旦涂層損傷產(chǎn)生，微膠囊破損釋放出CVL分子，CVL分子在SiO2表面-OH基團(tuán)的刺激下產(chǎn)生強(qiáng)烈藍(lán)紫色預(yù)警損傷位點(diǎn)。隨損傷深入發(fā)展并誘發(fā)界面鎂合金腐蝕時(shí)，MCs2釋放出PHP分子對(duì)堿性腐蝕微環(huán)境表現(xiàn)出粉色特征。這項(xiàng)工作為及時(shí)了解和監(jiān)測(cè)防護(hù)涂層/鎂合金的實(shí)時(shí)服役狀態(tài)和失效演化行為提供了有效解決方法。


  2024年12月10日，相關(guān)工作以“Robust Damage-Sensing and Corrosion-Warning Polymeric Coatings: a New Approach to Visually Monitor the Degradation Dynamics of Coated Mg-Alloy”發(fā)表在《Small》上。

  

  圖1展示了通過(guò)封裝CVL和PHP的兩種類型微膠囊的制備過(guò)程，并通過(guò)分別在底漆和面漆中摻入適量微膠囊構(gòu)建分級(jí)自預(yù)警涂層。當(dāng)頂部涂層在機(jī)械沖擊下形成微裂紋時(shí)，裂紋擴(kuò)展尖端撕裂微膠囊釋放出CVL，涂層中SiO2納米球表面的-OH基團(tuán)與CVL形成氫鍵相互作用導(dǎo)致內(nèi)酯環(huán)開(kāi)環(huán)形成藍(lán)色CVL+結(jié)構(gòu)，在裂紋區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的顏色變化以實(shí)現(xiàn)損傷感知功能。隨著損傷的不斷加深，局部合金基體直接暴露于腐蝕介質(zhì)中，鎂合金的腐蝕產(chǎn)物中含有大量的Mg(OH)2并伴有局部的堿環(huán)境。因此，利用PHP分子對(duì)堿性環(huán)境的響應(yīng)特性可有效實(shí)現(xiàn)早期腐蝕部位預(yù)警。


圖1 分級(jí)自預(yù)警涂層構(gòu)建示意圖及作用機(jī)制


  圖2展示了MCs1對(duì)不同強(qiáng)度應(yīng)力和作用時(shí)間的顏色反應(yīng)特性。隨應(yīng)力強(qiáng)度增加和作用時(shí)間延長(zhǎng)，更多的膠囊破裂導(dǎo)致大量CVL分子逸出，顯示出更加強(qiáng)烈的顏色變化。


圖2 MCs1在機(jī)械應(yīng)力作用下的顯色特性


  圖3表明了破碎的MCs2在不同pH環(huán)境下的顯色特征。結(jié)果表明，pH大于8.5的堿性環(huán)境足以引發(fā)明顯的顯色效應(yīng)，為鎂合金腐蝕部位的快速可視化預(yù)警奠定了基礎(chǔ)。


圖3 破碎的MCs2在不同pH環(huán)境中的顯色特性


  圖4展示了功能涂層的分級(jí)自預(yù)警特性。在涂層系統(tǒng)中分別引入兩種損傷深度，即僅在涂層系統(tǒng)中存在劃痕和劃痕深入到鎂合金基體中。涂層在損傷部位表現(xiàn)出著色效應(yīng)，僅在2分鐘后出現(xiàn)輕微的藍(lán)色變化，表明迅速的損傷響應(yīng)預(yù)警行為。為了驗(yàn)證涂層的腐蝕預(yù)警性能，在較深劃痕處噴涂5 wt.%的NaCl溶液以引發(fā)局部腐蝕。涂層靜置3 min后在腐蝕部位產(chǎn)生明顯顏色變化，形成速度遠(yuǎn)快于肉眼可見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物的形成過(guò)程，表明其腐蝕自診斷特性。


圖4 涂層損傷和界面腐蝕的可視化預(yù)警行為


  以上研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（52401096，52201077）及山東省青創(chuàng)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2023KJ308）支持。論文第一作者為青島科技大學(xué)程莉特聘副教授，通訊作者為程莉特聘副教授和劉成寶學(xué)術(shù)教授。山東科技大學(xué)張愛(ài)猛，青島科技大學(xué)曹蘭、鄧康清教授為論文共同作者。


  程莉，青島科技大學(xué)高分子學(xué)院特聘副教授，碩士生導(dǎo)師，從事海洋功能防護(hù)涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與作用機(jī)制研究。以第一/通訊作者在Small, J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J, Corros. Sci.等期刊上發(fā)表論文數(shù)十余篇。主持國(guó)家自然科學(xué)基金，山東省自然科學(xué)基金及青島市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202404038

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