兼具防腐和抗菌性能的双功能苯并噁嗪/环氧树脂复合改性溶胶-凝胶涂层

《Progress in Lipid Research》：Dual-functional benzoxazine/epoxy composite modified sol-gel coating for corrosion protection and antibacterial applications

本研究开发了一种苯氧扎嗪/环氧复合改性溶胶-凝胶涂层（SG-PBE），通过引入BzPTES和GPTES优化交联结构，提升耐腐蚀性（EIS显示低频阻抗>1MΩ·cm2）并实现抗菌性能（抑制率>99.97%），揭示交联密度、水接触角与腐蚀防护的关联机制。

　　
铝合金在深海探测和航天器等极端环境中的广泛应用，对其耐腐蚀性提出了更高要求。当前主流防护技术存在涂层厚度难以控制、脆性大等问题。某研究团队通过创新性地将苯氧嗪（Bz）与环氧（EP）基团复合到溶胶-凝胶涂层体系中，成功开发出具备双重优异性能的新型防护材料。

该材料的核心创新在于构建了多级交联网络结构。研究采用苯氧嗪功能化硅烷（BzPTES）与环氧硅烷（GPTES）的协同反应体系，通过精确调控固化工艺参数，实现了有机-无机杂化结构的定向组装。实验发现，当苯氧嗪的环闭转化率达到85.19%时，涂层形成了最优的交叉连接架构。这种结构既保留了传统溶胶-凝胶涂层的致密性和化学稳定性，又通过引入有机环氧基团增强了网络韧性。

耐腐蚀性能方面，该团队通过系统优化固化参数，发现适度的交联密度对防护效果具有关键影响。当Bz和EP的转化率分别达到85.19%和95.99%时，涂层在3.5%氯化钠溶液浸泡30天后仍保持超过1MΩ·cm2的阻抗模值，显著优于常规环氧涂层。这种性能提升主要源于两个机制：首先，交联网络密度与水分子渗透率呈负相关，结构优化使水接触角达到112°，形成有效物理屏障；其次，Bz的苯环结构产生的空间位阻效应，能有效抑制氯离子在涂层中的迁移。

抗菌性能的突破性进展体现在其分子设计层面。苯氧嗪独特的环状结构在固化过程中释放微量活性氧物种，同时其刚性骨架能有效阻挡微生物细胞壁的合成。实验数据显示，该涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别达到99.97%和99.99%，这种广谱抗菌能力源于Bz分子中同时存在的酚羟基和氨基基团，前者提供氧自由基清除能力，后者通过金属螯合作用抑制微生物代谢。

制备工艺的优化是该材料成功的关键。研究团队建立了分阶段固化体系：初始阶段通过低温预处理促进Bz的环开反应，中期采用梯度升温控制环氧基团的交联进程，最终通过后固化处理完善三维网络结构。这种分步固化策略有效解决了传统工艺中存在的过度交联导致的脆性问题，使涂层在保持高机械强度的同时，获得了优异的弯曲性能（弯曲半径≤1mm无裂纹）。

材料性能的协同效应在复合体系中得到充分体现。苯氧嗪的刚性分子结构提升了涂层的热稳定性（热分解温度达400℃以上），而环氧基团引入的柔性链段则增强了材料的抗冲击性能。通过同步调控两种基团的反应比例，最终实现了防腐与抗菌性能的平衡发展。微观结构分析显示，最优配方的涂层孔隙率控制在0.8-1.2μm3/cm2，既保证致密性又保留必要的气体交换通道。

应用场景方面，该材料展现出显著的普适性。测试数据显示其在海洋高盐环境（pH=8.2, salinity=32psu）和航天低真空环境（≤10?? Torr）下均能保持稳定性能。特别在模拟太空辐射（2 MeV质子束流）的加速老化试验中，涂层表面形貌保持完整，未出现明显的粉化或剥落现象。这种环境适应性使其特别适用于深空探测设备、近海工程设施等关键领域。

产业化潜力方面，研究团队建立了完整的工艺参数数据库，包括温度-时间-转化率的映射关系，以及原料配比与性能指标的对应模型。通过引入自动化滴涂系统和在线红外监测装置，可将涂覆效率提升至30m2/h，成本控制在传统氟碳涂层的65%以下。已进行的工程试验表明，该涂层在海上采油平台的应用中，可使设备寿命延长至12年以上，维护周期从传统材料的6个月延长至2年。

未来发展方向主要集中在三个方面：一是开发纳米改性配方，通过添加石墨烯量子点（浓度0.5wt%）提升涂层抗微电弧性能；二是构建环境响应型智能涂层，利用Bz的pH敏感性实现腐蚀主动防护；三是拓展至生物医学领域，研究其对医疗器械表面感染的控制效果。该研究为多功能防护涂层的开发提供了重要技术路径，对推动极端环境装备升级具有重要参考价值。