《Applied Nursing Research》：Self-healing anti-corrosion powder coatings via PDMS-infiltrated mesoporous silica
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自修复防腐蚀粉末涂层通过PDMS浸润硅颗粒实现主动修复微缺陷并形成持久防水屏障，显著提升抗腐蚀性能。
郑浩轩|徐艺怡|黄金宝|朱新平|张海平|张慧|朱敬旭
加拿大安大略省伦敦市西安大略大学化学与生物化学工程系，N6A 5B9
摘要
本研究提出了一种用于防腐粉末涂层的自修复策略，旨在解决固化过程中产生的微缺陷对长期耐腐蚀性造成的影响。研究人员合成了一种含有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的介孔二氧化硅颗粒作为修复剂，并将其整合到聚酯涂层中，以实现微裂纹和通道的自主修复。多种表征方法证实PDMS成功渗透到了二氧化硅载体中，并在涂层基质中均匀分散。电化学阻抗谱分析显示，PDMS改性涂层的耐腐蚀性提高了三个数量级；中性盐雾测试表明，与未改性的对照组相比，涂层的剥落宽度减少了62%。飞行时间二次离子质谱技术验证了PDMS的迁移过程，PDMS在涂层表面形成了疏水屏障，有效阻止了电解质的渗透。本文详细阐述了这种自主修复机制，并通过扫描电子显微镜结合能量分散X射线光谱元素分析和X射线光电子能谱分析了修复剂的迁移动力学。这项工作为粉末涂层材料领域带来了新的进展，展示了无需外部刺激即可实现主动修复的功能，为腐蚀环境中的防护涂层提供了变革性的解决方案。
引言
金属腐蚀是指金属和合金由于与环境中的化学物质发生化学反应或电化学反应而逐渐降解或破坏的过程。这一过程会导致金属表面形成氧化物、氢氧化物或其他化合物，从而影响其机械强度和功能[1]。腐蚀的金属会对结构安全[2,3]、人类健康[4,5]和经济[6]等多个领域产生严重影响。腐蚀的间接成本也非常巨大，包括维护、修复和更换腐蚀部件的费用。NACE International的IMPACT研究估计，全球每年的腐蚀成本超过2.5万亿美元[7]。
有效的防腐策略对于减轻腐蚀的负面影响至关重要。其中，防护涂层因其能够延长基材的使用寿命[8]、降低维护和更换成本[9]而得到广泛应用。然而，在涂层应用过程中，由于多种因素的影响，涂层表面和内部不可避免地会出现微缺陷，如针孔、气泡和裂纹。这些缺陷会成为水分和腐蚀性物质的通道，从而降低涂层的防护效果。当水分、腐蚀性离子和污染物渗透到涂层并到达基材金属时，涂层的防腐性能会下降。这种降解过程通常会引发局部点蚀，最终导致涂层大面积腐蚀和剥落。
自修复防腐涂层因其能够显著提升防护涂层的耐久性和抗腐蚀性能而成为学术界关注的焦点[13,14]。这类涂层具备在受损后自主修复或再生的能力，从而确保持续的防腐保护并延长基材的使用寿命。自修复涂层主要分为外在修复机制和内在修复机制两种类型[15,16]。外在修复机制是通过在涂层基质中分散含有修复剂的微胶囊来实现的；当受到机械损伤或环境因素的影响时，微胶囊会释放修复剂并在损伤处形成保护屏障[17,18]。而内在修复机制则利用聚合物基质中的可逆化学键，在施加热或光等外部刺激时进行修复[19,20]。尽管这两种机制都能有效修复损伤，但它们都需要宏观损伤或特定的外部触发因素才能启动修复过程。
在本研究中，我们开发了一种自修复防腐粉末涂层，将防腐保护的机制从被动修复转变为主动抑制。该涂层基于预防原则运作，在固化后自主且持续地修复微缺陷，从而抑制腐蚀的发生。这项研究的创新之处在于两个方面：首先，这种修复功能是通过无需外部刺激的非封装机制实现的。我们设计了一种新的修复添加剂，其中PDMS渗透到了介孔二氧化硅颗粒中，利用PDMS的低表面能和良好的流变特性[21,22,23]自主密封微缺陷并形成持久的疏水屏障，无需外部触发。其次，这是首次在粉末涂层基质中实现这种修复机制的案例。通过主动解决涂层失效的根本原因，该技术有望延长涂层的使用寿命并降低维护成本，为防护涂层技术带来实质性进步。
材料
本项目使用的材料如下：聚酯（PE）清漆，含有三缩水甘油异氰脲酸酯（TGIC，7%）作为固化剂，购自加拿大TCI Powder Coatings有限公司；聚二甲基硅氧烷（PDMS）SYLGARD 182，购自Dow公司；介孔二氧化硅（粒径约13 μm，比表面积约423 m2/g，孔径约20 nm，孔体积约2.1 ml/g），购自中国青岛硅光化工有限公司；试剂级己烷亦用于实验。
修复添加剂粉末
图3(a)?(j)中的扫描电子显微镜图像展示了含有PDMS的颗粒（PDMS-Si-1、PDMS-Si-2、PDMS-Si-3和PDMS-Si-4）以及不含PDMS的载体颗粒的形态特征。在未加载PDMS的状态下，高倍观察下可见载体颗粒内部存在丰富的纳米孔结构（图3(b)）。随着PDMS与二氧化硅颗粒的质量比增加，颗粒表面逐渐变得更为光滑。
结论
本研究提出了一种增强粉末涂层防腐性能的修复策略，利用硅胶载体输送非封装的PDMS作为修复剂，以修复固化后的涂层缺陷。该系统通过降低表面能来主动修复缺陷，并在涂层表面形成持久的疏水屏障，从而提高耐腐蚀性。据我们所知，这是首次报道此类技术。
作者贡献声明
郑浩轩：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法验证、实验设计、数据分析、概念构思。徐艺怡：方法设计、实验设计、数据分析。黄金宝：方法设计、实验设计、数据分析、概念构思。朱新平：方法验证、实验设计、数据分析。张海平：项目监督、项目管理、方法设计。张慧：实验设计、方法设计、项目执行。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
第一作者感谢中国国家留学基金委（CSC）（项目编号：202107980002）的资助。作者还感谢加拿大自然科学与工程研究委员会（Discovery Grant，项目编号：RGPIN-2024-06596）的支持，以及西安大略大学化学系和表面科学系的技术支持。同时，作者也感谢佛山市科学技术局（佛山市科技创新项目，项目编号：1920001000150-08）的协助。
