基于咪唑核的聚苯并噁嗪-二氧化硅杂化复合材料：一种实现优异耐腐蚀和阻燃性能的新策略

《Next Materials》：Imidazole-core polybenzoxazine-silica hybrid composites via sol-gel approach: A new strategy for superior corrosion and flame resistance

本文报道了通过溶胶-凝胶法制备的咪唑核聚苯并噁嗪-二氧化硅杂化复合材料。研究人员针对金属腐蚀防护和材料阻燃性能提升的需求，开发了新型IMP-aptes单体，通过引入不同比例的TEOS和HDTMS，成功制备出具有优异热稳定性（残炭率达65.1%）、阻燃性（UL-94 V-0级）和耐腐蚀性（抑制效率达98.47%）的复合材料，为高性能防护涂层材料开发提供了新思路。

　　

在当今工业领域，金属腐蚀是一个全球性的严峻挑战，每年给全球经济造成约2.5万亿美元的损失，占全球国民生产总值的3.4%，同时消耗近20%的总能源。钢铁结构在与氧气、水分和盐分等环境因素相互作用下会发生电化学降解，导致材料损耗、结构失效甚至环境风险。虽然聚合物涂层作为有效的防护手段被广泛应用，但传统涂层在界面腐蚀防护方面仍存在不足。

针对这一挑战，聚苯并噁嗪（PBZ）作为一种新兴的高性能聚合物材料展现出独特优势。与传统环氧树脂和酚醛树脂相比，PBZ具有高耐热性、机械强度、低吸水性、近乎零的固化收缩率和良好的介电性能。然而，传统的PBZ体系缺乏足够的金属-聚合物粘附功能基团，限制了其作为防护涂层的应用效果。

在这项发表于《Next Materials》的研究中，Selvi Mohan等人创新性地将咪唑核引入PBZ体系，开发出一种新型的咪唑核聚苯并噁嗪-二氧化硅杂化复合材料。咪唑基结构因其富含电子的氮原子而对金属表面具有强亲和力，能够通过化学吸附形成致密的保护层，有效阻隔腐蚀介质的渗透。

研究人员采用的关键技术方法包括：通过曼尼希反应合成硅烷功能化咪唑核苯并噁嗪单体（IMP-aptes），利用原位溶胶-凝胶法制备不同比例的四乙氧基硅烷（TEOS）和十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）增强的杂化复合材料，通过热重分析（TGA）、极限氧指数（LOI）测定、UL-94垂直燃烧测试、电化学阻抗谱（EIS）和塔菲尔极化等系统评估材料的性能。

单体的合成与结构表征

研究人员通过IMP、aptes和多聚甲醛的曼尼希缩合反应成功合成了IMP-aptes单体。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）在956 cm^-1处显示噁嗪环的特征振动峰，在1073 cm^-1处观察到Si-O-Si键的伸缩振动，证实了硅烷的成功引入。核磁共振氢谱（¹H NMR）分析进一步验证了单体的化学结构，在3.8 ppm和5.0 ppm处的单峰分别对应Ar-CH₂-N和O-CH₂-N，证实了苯并噁嗪环的形成。

固化行为与热性能

差示扫描量热法（DSC）显示IMP-aptes的固化温度约为200°C，显著低于传统苯并噁嗪（约264°C），这归因于咪唑基团的内在催化作用。热重分析表明，随着二氧化硅含量的增加，材料的初始降解温度从234°C提高至265°C，残炭率从57.6%提升至65.1%，显示出显著改善的热稳定性。

阻燃性能

所有开发的杂化复合材料均达到UL-94 V-0级阻燃标准。通过范克雷维伦公式计算的极限氧指数值显示，40 wt% TEOS增强的聚（IMP-aptes）/Si杂化材料的LOI值达到43.5%，而HDTMS增强的材料为37.1%。扫描电子显微镜（SEM）对燃烧残炭的分析显示，二氧化硅在燃烧过程中形成了致密的多孔炭层，起到了有效的热屏蔽作用。

疏水性与油水分离性能

水接触角测试表明，纯聚（IMP-aptes）的接触角为125°，而40 wt% HDTMS增强的杂化材料达到了140°的高疏水性。将这种材料涂覆在纤维素基底上，可实现超过98%的油水分离效率，通量值高达10185 L m^-2 h^-1，在环境修复领域展现出应用潜力。

腐蚀防护性能

电化学测试结果显示，聚（IMP-aptes）/HDSi40%涂层在3.5% NaCl溶液中浸泡21天后仍能保持优异的防护性能，电荷转移电阻（R_ct）值高达28563 kΩ cm²，腐蚀抑制效率达到98.47%。塔菲尔极化测试证实，该涂层使腐蚀电位正向移动至-450.76 mV，腐蚀电流密度降低至11.349 μA cm^-2。

该研究成功开发了一种具有多重优异性能的聚苯并噁嗪-二氧化硅杂化材料体系。通过分子设计将咪唑核的金属亲和性、苯并噁嗪的高性能特性和二氧化硅的增强效应有机结合，创造了同时具备优异热稳定性、阻燃性、疏水性和腐蚀防护性能的新型材料。特别是在腐蚀防护方面，该材料在长达21天的浸泡测试中仍能保持95%以上的抑制效率，为苛刻环境下的金属防护提供了创新解决方案。虽然仍需优化涂层的长期稳定性以满足商业化需求，但这项研究无疑为高性能防护材料的设计开发指明了新方向，在航空航天、电子工业和海洋工程等领域具有广阔的应用前景。