仿生ZIF-8基复合涂层的pH/UV双重响应型智能防腐抗老化机制研究

海洋工程装备长期面临腐蚀与紫外线老化的双重威胁。华中科技大学研究人员通过构建ZIF-8@BTA@O-NBA@MPN(ZBOM)核壳结构纳米材料，开发出兼具pH/UV双重响应释放、自由基清除功能的智能环氧涂层。实验表明，添加1 wt% ZBOM的复合涂层在90天浸泡后阻抗达1.7×109 Ω·cm2，UV老化300小时后阻抗保持1.7×108 Ω·cm2，较纯环氧树脂提升4个数量级。该研究为海洋环境长效防护提供了新策略。

　　

海洋环境中的金属材料长期遭受着腐蚀性离子侵蚀和紫外线辐射的双重挑战。以铜合金为代表的海洋工程材料虽然具有优良的导电性和抗生物污损性能，但在高盐、高湿、强辐射的苛刻条件下，仍会出现点蚀、电偶腐蚀等问题。环氧树脂(EP)作为常用的防腐涂层材料，其内部固化缺陷和紫外线引发的化学键断裂会导致防护性能急剧下降。更棘手的是，当涂层出现破损时，紫外线会加速破损区域的劣化，形成恶性循环。如何开发兼具长效防腐和抗紫外线老化功能的智能涂层，成为海洋材料领域亟待突破的科学难题。

华中科技大学的研究人员从生物界获得灵感，模仿奥氏蟾蜍(Odorranan andersonii)分泌抗氧化肽抵御紫外线损伤的机制，设计出一种新型多功能纳米复合材料。研究团队以沸石咪唑酯骨架材料(ZIF-8)为载体，负载苯并三氮唑(BTA)腐蚀抑制剂和邻硝基苯甲醛(O-NBA)光敏剂，再通过单宁酸(TA)-铈离子(Ce³⁺/Ce⁴⁺)金属-多酚网络(MPN)进行包覆，构建出具有核壳结构的ZBOM纳米粒子。这种仿生材料不仅能响应环境pH变化释放缓蚀剂，还能在紫外线照射下触发局部pH跳变，实现损伤部位的自修复功能。相关成果发表在《Surface and Coatings Technology》期刊。

研究采用多种先进表征技术：通过SEM/TEM观察纳米材料形貌，XRD/FTIR分析化学结构，TGA评估热稳定性；运用紫外可见分光光度计和电子顺磁共振检测自由基清除能力；采用电化学阻抗谱(EIS)和局部电化学阻抗谱(LEIS)评价防腐性能；结合密度泛函理论(DFT)计算和分子动力学模拟揭示分子间相互作用机制。

【材料表征】SEM显示ZBOM保持ZIF-8的十二面体结构，TA-Ce包覆后表面粗糙度增加。XRD证实MPN包覆未改变ZIF-8晶体结构，FTIR检测到TA特征峰。TGA表明ZBOM在300℃以下保持稳定，适合涂层应用。

【防腐性能】EIS测试显示，含1 wt% ZBOM的环氧涂层在3.5% NaCl溶液中浸泡90天后，阻抗模量保持在1.7×10⁹ Ω·cm²，比纯EP涂层(3.5×10⁶ Ω·cm²)高3个数量级。分子动力学模拟表明ZBOM能有效阻碍Cl^-扩散，腐蚀抑制效率达99.2%。

【抗UV机制】UV老化300小时后，复合涂层阻抗(1.7×10⁸ Ω·cm²)仍比纯EP(3.4×10⁴ Ω·cm²)高4个数量级。Fukui函数计算证实TA-Ce通过协同作用清除自由基，其中Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对的f⁰值(0.067)显著低于BTA(0.132)。

【智能响应】LEIS显示当涂层受损时，UV照射会使O-NBA转化为二硝基苯甲酸，局部pH从7.0降至4.2，触发BTA释放。在pH=4和UV照射条件下，BTA释放量分别达到89.7%和76.3%。

该研究创新性地将紫外线这一传统降解因素转化为功能触发信号，开发的ZBOM/EP复合涂层具有三大优势：通过TA-Ce网络实现自由基持续清除；借助pH/UV双重响应机制实现损伤部位精准修复；利用ZIF-8的多孔结构保证缓蚀剂的高负载量。这种仿生设计策略为海洋环境下的长效防护材料开发提供了新思路，在船舶、海上风电、海洋平台等领域具有广阔应用前景。理论计算与实验验证相结合的研究方法，也为多功能涂层材料的理性设计建立了范式。