多巴胺与PDA@MXene复合改性生物质聚氨酯涂层的湿界面结合性能及防护性能得到提升

《Progress in Organic Coatings》：Enhanced wet Interface bonding and protective properties of dopamine and PDA@MXene composite modified biomass polyurethane coatings

通过 mussel-inspired chemistry 开发兼具优异潮湿附着力与混凝土腐蚀防护性能的生物质聚氨酯（PU）涂层。采用多巴胺（DA）交联结合聚多巴胺（PDA）表面修饰的 MXene 纳米片复合改性生物质 PU，系统研究其力学、热学性能及耐候性，揭示涂层与混凝土基体间界面结合机制和协同防护效应。实验表明 DA 交联与 PDA@MXene 纳米片复合显著提升涂层湿基材附着力及混凝土抗氯离子渗透性能。

　　本文探讨了一种基于植物油的生物质聚氨酯（PU）涂层的开发与应用，旨在解决传统聚氨酯涂层在潮湿环境下的粘附性能不足以及对混凝土的保护能力有限的问题。研究团队受贻贝（mussel）生物粘附机制的启发，通过引入多巴胺（DA）基的共价交联以及聚多巴胺（PDA）修饰的MXene纳米片，显著提升了生物质PU涂层在潮湿基材上的粘附性能和保护效果。这种方法不仅符合可持续发展战略，也为构建高性能的环保型混凝土保护涂层提供了新的思路。

混凝土作为现代建筑中最常用的材料之一，以其优异的强度和耐久性广泛应用于各类基础设施建设。然而，其固有的脆性和裂纹倾向，以及有限的化学稳定性，使得混凝土在长期暴露于恶劣海洋环境中时，容易受到腐蚀。这种腐蚀通常由氯离子（Cl?）、二氧化碳（CO?）和硫酸根离子（SO?2?）等有害物质通过混凝土的孔隙结构渗透引发。特别是在海洋工程中，氯离子的渗透不仅会破坏混凝土内部的钢筋表面的钝化膜，还会导致钢筋腐蚀，进而产生膨胀性锈蚀产物，引发混凝土的开裂和剥落。因此，提升混凝土的耐腐蚀性能，特别是在潮湿环境下的粘附能力，成为延长其使用寿命的关键。

传统的混凝土保护涂层，如聚氨酯（PU）涂层，因其优异的防水、耐腐蚀和耐磨性能，被广泛用于混凝土表面的防护。然而，这类涂层在生产过程中通常依赖于石油基原料，存在不可再生性和环境影响等问题。近年来，生物质PU因其来源于可再生资源，展现出环境友好和可持续发展的潜力。这类PU在保留传统材料优良性能的同时，还能减少对环境的负担，因此被认为是绿色建筑材料的重要发展方向。然而，现有的生物质PU涂层在潮湿环境下的粘附性能仍不理想，主要受限于其在水分子作用下的弱粘附性和较差的水阻隔能力。

为了解决这些问题，研究人员尝试通过多种策略提升PU涂层的性能，例如使用交联剂、引入纳米填料等。其中，纳米填料的添加被认为是提高涂层综合性能的有效手段。例如，纳米碳酸钙的引入可以显著降低水吸收率，提高涂层的耐久性；而多巴胺修饰的纳米颗粒则能够改善涂层的水阻隔能力和耐腐蚀性。MXene作为一种新兴的二维金属纳米材料，因其独特的层状结构、出色的机械性能和卓越的气体阻隔能力，被认为是一种理想的纳米填料。然而，MXene在聚合物基体中的分散性较差，容易因范德华力而聚集，导致界面相互作用减弱，影响其在涂层中的应用效果。

为了克服这一问题，研究团队采用了一种受贻贝启发的表面改性策略，即通过聚多巴胺（PDA）对MXene进行表面修饰。PDA改性能够有效提升MXene在聚合物基体中的分散性，并增强其与聚合物之间的界面相互作用。此外，PDA本身含有丰富的儿茶酚基团，这些基团能够在水环境中形成多种化学键，包括配位键、氢键和共价键，从而显著提升涂层在潮湿基材上的粘附性能。通过将PDA修饰的MXene纳米片引入生物质PU的交联网络中，研究人员构建了一种具有高度互连结构的复合涂层，从而提升了涂层的整体性能。

在实验设计方面，研究团队首先通过羟基化和逐步聚合反应合成了基于环氧大豆油的生物质PU。随后，他们采用PDA修饰MXene的方法，进一步增强了涂层的界面性能和保护能力。通过系统的性能测试，包括机械性能、热稳定性、结晶度、紫外线老化抗性、水阻隔能力和对混凝土的保护效果，研究人员评估了这种新型复合涂层的综合性能。结果显示，当PDA@MXene的添加量为0.50 wt%时，复合涂层表现出最佳的综合性能。这表明，通过合理的材料设计和界面改性，可以有效提升生物质PU涂层在潮湿环境下的粘附能力及其对混凝土的保护效果。

在界面粘附机制方面，研究团队发现，PDA@MXene的引入不仅增强了涂层与混凝土基材之间的界面相互作用，还通过其独特的层状结构和纳米级的尺寸效应，显著改善了涂层的水阻隔性能。具体而言，PDA@MXene在PU基体中的均匀分散，形成了一个类似迷宫的结构，延长了水分子和腐蚀性离子的扩散路径，从而有效抑制了它们对混凝土基材的侵蚀。此外，PDA@MXene与PU之间的强共价交联，减少了界面缺陷，提高了界面的相容性，进一步增强了涂层的粘附性能和耐久性。

研究团队还通过扫描电子显微镜（SEM）观察了PDA修饰MXene的微观结构变化。结果表明，经过LiF-HCl蚀刻和PDA修饰后，MXene的层状结构更加清晰，其表面形成了丰富的PDA膜层，从而显著提升了其在聚合物基体中的分散性和界面相互作用。这种结构上的优化不仅改善了涂层的物理性能，还为其在潮湿环境下的稳定粘附提供了必要的基础。

从实际应用的角度来看，这种基于生物质资源和MXene纳米填料的复合涂层，不仅能够满足海洋混凝土对耐腐蚀和耐久性的高要求，还符合当前绿色建筑和可持续发展的趋势。与传统涂层相比，这种新型材料在环境友好性、资源利用率和长期性能稳定性方面具有明显优势。此外，其优异的水阻隔能力和粘附性能，使其在地下工程、隧道工程和海洋工程等潮湿环境中具有广泛的应用前景。

值得注意的是，本研究不仅关注材料本身的性能提升，还深入探讨了其在实际应用中的表现。通过系统的实验分析和性能测试，研究团队揭示了生物质PU复合涂层在潮湿基材上的粘附机制及其对混凝土的保护作用。这些发现为未来开发高性能、环保型混凝土保护涂层提供了重要的理论依据和技术支持。同时，该研究也为其他类型的聚合物涂层在潮湿环境下的性能优化提供了借鉴。

从更广泛的意义上来看，本研究体现了跨学科研究的重要性。通过结合生物启发材料科学、纳米技术以及高分子化学等领域的知识，研究团队成功开发出一种具有创新性的复合涂层材料。这种材料不仅解决了传统PU涂层在潮湿环境下的粘附性能不足问题，还为构建更加环保和可持续的建筑材料提供了新的方向。此外，研究过程中所采用的实验方法和分析手段，也为相关领域的研究者提供了有价值的参考。

总的来说，本文提出了一种基于生物质资源和MXene纳米填料的新型混凝土保护涂层材料，通过引入多巴胺基的共价交联和PDA修饰的MXene纳米片，显著提升了涂层在潮湿环境下的粘附性能和保护能力。这种材料不仅符合可持续发展战略，还为解决混凝土在海洋环境中的耐腐蚀问题提供了有效的解决方案。研究团队通过系统的性能测试和微观结构分析，验证了该材料在实际应用中的优越性，为其未来的大规模应用奠定了坚实的基础。