将碳-海泡石结合到生物聚合物基体中的生物纳米复合材料涂层用于铝合金的防腐蚀保护：一项电化学研究

《Applied Clay Science》：Bionanocomposite coatings incorporating carbon-sepiolite within biopolymer matrices for corrosion protection of aluminium alloys: An electrochemical study

生物纳米复合材料腐蚀防护研究|碳-海泡石填料|壳聚糖与zein基体|溶胶-凝胶密封层|电化学阻抗谱（EIS）|石墨烯-like材料|物理阻碍机制|添加剂释放保护|AA2024-T3铝合金|可持续涂层技术

　　这项研究探讨了一种新型、可持续的生物纳米复合涂层的开发，旨在为AA2024-T3铝合金提供高效的主动和被动防腐保护。研究团队通过将环保的碳-海泡石纳米填料整合进壳聚糖和玉米蛋白（zein）生物聚合物基体中，实现了这一目标。这种创新的材料设计不仅满足了现代工程对高性能材料的需求，也体现了对环境责任的重视。

海泡石作为一种天然的黏土矿物，因其独特的微纤维形态和结构上的交替镁硅酸盐层与纳米级晶格隧道而备受关注。其高比表面积（超过300平方米/克）和孔隙率（约0.3立方厘米/克）使其成为构建生物纳米复合材料的理想选择。此外，海泡石表面的硅醇基团（Si-OH）能够与生物聚合物形成稳定的相互作用，从而提升材料的整体性能。

研究中采用的碳-海泡石纳米填料，是通过将多壁碳纳米管（MWCNT）和液态焦糖（caramel）的悬浮液注入海泡石中，随后经过水热处理（180摄氏度，18小时）和高温裂解（550摄氏度，1小时）制备而成。水热处理促进了焦糖的石墨化，而高温裂解则进一步强化了碳-海泡石的结构。这种填料不仅具备良好的导电性，还能通过吸附作用为材料赋予额外的功能性。

壳聚糖和玉米蛋白作为生物聚合物，分别提供了不同的特性。壳聚糖因其良好的热稳定性和化学稳定性，以及优异的生物相容性和可降解性，被广泛应用于防腐涂层的开发。玉米蛋白则因其低极性氨基酸单元，展现出良好的疏水性，使其在构建具有优异屏障性能的涂层方面具有独特优势。这两种生物聚合物与碳-海泡石纳米填料的结合，使得涂层能够在不同的腐蚀环境下表现出良好的保护性能。

为了进一步提升涂层的性能，研究团队引入了一种有机-无机溶胶-凝胶层作为顶层屏障。该层由四甲氧基硅烷（TMOS）和γ-甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷（MAPTMS）的混合物构成，这两种物质作为硅烷前驱体，能够通过自组装过程形成稳定的有机-无机复合结构。溶胶-凝胶层的引入不仅有效密封了涂层内部的孔隙，还显著增强了其被动防腐能力。此外，这种复合结构还能够促进涂层的主动防腐机制，通过物理阻隔和功能性添加剂的可控释放来延缓金属表面的腐蚀过程。

在实验过程中，研究团队采用多种技术对涂层进行了全面的表征。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能谱分析（EDX）的结果表明，所制备的生物纳米复合涂层具有良好的均匀性、透明性和无裂纹特性，说明其在物理屏障方面表现出色。光学成像进一步验证了涂层的结构完整性，为后续的性能评估提供了可靠的基础。

电化学阻抗谱（EIS）作为一种非破坏性的分析手段，被用于评估涂层在腐蚀环境中的保护性能。EIS分析揭示了涂层保护机制的两个阶段：在初期，溶胶-凝胶层提供了坚固的被动屏障，防止腐蚀介质与金属表面直接接触。随着溶胶-凝胶层的逐渐劣化，生物纳米复合涂层则开始发挥主动防腐作用，通过物理阻隔和功能性添加剂的释放来延缓腐蚀过程。这种双重机制使得涂层在复杂的腐蚀环境中表现出更高的耐久性和保护效果。

此外，研究团队还对不同类型的生物纳米复合材料进行了评估。例如，Aghzzaf等人开发的基于贝得利特黏土的生物纳米复合材料，通过离子交换过程将壳聚糖阳离子引入贝得利特黏土的层间，形成具有抗腐蚀性能的复合材料。类似的，Alotaibi等人利用壳聚糖-蒙脱土纳米复合材料作为绿色防腐抑制剂，通过EIS验证了其增强的防腐性能。这些研究进一步表明，生物纳米复合材料在防腐领域的应用潜力巨大。

在本研究中，通过将壳聚糖和玉米蛋白与碳-海泡石纳米填料结合，制备出具有优异防腐性能的生物纳米复合涂层。这些涂层不仅在物理结构上表现出良好的均匀性和完整性，还在电化学性能上展现出显著的保护效果。通过EIS分析，研究团队能够准确地评估涂层在不同频率范围内的阻抗行为，从而揭示其在腐蚀环境中的动态响应机制。

研究结果表明，这种结合生物聚合物和碳-海泡石纳米填料的材料设计，能够有效提升金属表面的防腐能力。同时，通过引入有机-无机溶胶-凝胶层作为顶层屏障，进一步增强了涂层的稳定性和耐久性。这种多层次的结构设计，使得涂层能够在不同的腐蚀条件下表现出良好的适应性和保护性能。

在工业应用方面，这种新型的生物纳米复合涂层展现出了广阔的应用前景。其环保特性、优异的防腐性能以及良好的加工适应性，使其成为传统铬酸盐抑制剂的有力替代品。特别是在海洋环境、高温环境和高湿环境中，这种涂层能够提供持久的保护，减少金属材料的腐蚀风险。

为了确保涂层的性能，研究团队还对不同类型的生物纳米复合材料进行了深入的分析。例如，Sottor等人研究了在金属合金表面使用含海泡石的抑制剂进行PEO涂层处理后的防腐性能，通过EIS验证了其提升的保护效果。这些研究进一步证明了生物纳米复合材料在防腐领域的应用价值。

此外，研究团队还关注了材料的可持续性。通过使用天然来源的材料，如海泡石、壳聚糖和玉米蛋白，以及环保的碳-海泡石纳米填料，这种材料设计不仅减少了对化石资源的依赖，还降低了生产过程中的环境影响。这种绿色材料设计符合当前环保和可持续发展的趋势，有助于推动材料科学向更加环保的方向发展。

在实验方法方面，研究团队采用了多种先进的技术手段。例如，通过固态13C CP MAS-NMR光谱分析，研究团队能够评估焦糖在高温裂解后的石墨化程度。这种分析方法不仅能够提供关于碳结构的详细信息，还能揭示其在材料中的分布情况。这些数据为后续的材料设计和性能优化提供了重要的参考。

总的来说，这项研究展示了生物纳米复合材料在防腐领域的巨大潜力。通过将天然来源的生物聚合物与碳-海泡石纳米填料结合，并引入有机-无机溶胶-凝胶层作为顶层屏障，研究团队成功开发出一种高效、环保的防腐涂层。这种材料设计不仅提升了金属表面的防腐能力，还符合当前对可持续材料和绿色设计的需求。

未来的研究方向可能包括进一步优化材料的性能，探索更多类型的生物纳米复合材料，以及拓展其在不同领域的应用。例如，通过调整生物聚合物和纳米填料的比例，研究团队可以进一步提升涂层的导电性和吸附能力。此外，还可以尝试将其他类型的纳米填料引入材料中，以探索其在不同腐蚀环境中的表现。

同时，研究团队也认识到，这种材料设计需要在实际应用中进行进一步验证。例如，在不同的工业环境中，如海洋、化工和建筑，这种涂层的性能可能会受到不同因素的影响。因此，需要进行更多的实验研究，以评估其在实际应用中的表现。

此外，研究团队还强调了材料的可加工性和经济性。通过优化制备工艺，可以进一步降低材料的生产成本，提高其在实际应用中的可行性。例如，通过调整水热处理和高温裂解的条件，可以进一步提高碳-海泡石纳米填料的制备效率，减少能源消耗。

在环境保护方面，这种材料设计也具有重要意义。通过减少对传统防腐抑制剂的依赖，可以降低对环境的污染，提高材料的可持续性。此外，通过使用天然来源的材料，可以减少生产过程中的碳排放，符合当前对绿色制造的需求。

综上所述，这项研究不仅为AA2024-T3铝合金提供了一种高效的防腐解决方案，还展示了生物纳米复合材料在材料科学中的广阔应用前景。通过结合先进的材料设计和电化学分析技术，研究团队成功开发出一种环保、高效、可持续的新型涂层，为未来的防腐材料研究提供了重要的参考。