纳米氧化锆/聚脲甲醛复合壳微胶囊增强环氧涂层的自润滑与自修复性能研究

为解决环氧涂层机械性能不足和腐蚀防护问题，伊朗科研团队通过原位聚合法合成含亚麻籽油的PUF/ZrO2纳米复合壳微胶囊，制备出兼具自润滑（摩擦系数降低82%）和自修复（腐蚀电流密度降低98%）功能的环氧涂层，为工业防腐耐磨材料开发提供新思路。

　　

在工业领域，金属基材的腐蚀和机械磨损是导致设备失效的关键因素。尽管环氧树脂因其优异的耐腐蚀性和低成本被广泛用作防护涂层，但其较差的耐磨性限制了使用寿命。更棘手的是，传统涂层一旦出现微裂纹，腐蚀介质会迅速渗透至金属基底。目前通过添加纳米颗粒或润滑剂虽能部分改善性能，但如何实现材料在受损后自主修复并持续润滑，仍是材料科学领域的重大挑战。

伊朗克尔曼托西理工大学与赞詹大学的研究团队创新性地将纳米氧化锆(ZrO₂)引入聚脲甲醛(PUF)微胶囊壳层，开发出具有双重功能的智能涂层。该研究通过原位聚合技术，制备出亚麻籽油负载量5 wt%、ZrO₂含量梯度变化(0-5 wt%)的微胶囊，并将其分散于环氧树脂基质。研究结果显示，当ZrO₂含量为3 wt%时，微胶囊尺寸分布最均匀(平均662 nm)，使涂层摩擦系数从0.46骤降至0.059，磨损率降低93%。更令人振奋的是，划伤后的涂层在72小时内能自主释放修复剂，将钢基底的腐蚀电流密度从74.10×10^-8 mA/cm²降至0.870×10^-8 mA/cm²，相关成果发表于《Heliyon》期刊。

研究采用三项关键技术：1) 超声辅助原位聚合法构建PUF/ZrO₂纳米复合壳微胶囊；2) 场发射扫描电镜(FESEM)结合能谱分析(EDS)表征微胶囊形貌与元素分布；3) 通过针-盘摩擦试验和动电位极化测试分别评估自润滑与防腐性能。

【微胶囊形貌调控】FESEM显示ZrO₂纳米颗粒作为成核位点，使微胶囊尺寸从纯PUF的138-2000 nm窄化至3 wt%组的均匀分布。过量ZrO₂(5 wt%)反而导致粒径减小至463 nm并引发团聚。

【自润滑机制】磨损表面分析揭示三重作用：破裂微胶囊释放的亚麻籽油形成转移膜；ZrO₂纳米颗粒作为固体润滑剂；微胶囊空腔可捕获磨屑。3 wt%组因微胶囊分布最优，展现出最完整的油膜覆盖。

【腐蚀防护性能】极化曲线表明，含3 wt% ZrO₂微胶囊的涂层(EM-SZ3)腐蚀电位(-0.009 V)显著正于纯环氧涂层(-0.270 V)，其修复效率比未改性微胶囊组(EM)提升45%。

该研究突破性地证实纳米复合壳可同步优化微胶囊的机械屏障功能与活性物质控释性能。3 wt% ZrO₂的添加使微胶囊壳层形成纳米增强网络，既延缓亚麻籽油过早渗漏，又能在应力作用下定向释放。这种"按需修复"特性结合ZrO₂固有的化学惰性，为船舶、石油管道等严苛环境下的金属防护提供了新材料设计范式。未来通过调控纳米颗粒种类与壳层结构，有望开发出多刺激响应的智能涂层体系。