三嗪核Schiff碱多功能聚苯并噁嗪/生物二氧化硅杂化复合材料提升阻燃与耐腐蚀性能研究

为解决高温腐蚀环境下材料防护性能不足的问题，G. Anusri团队开发了基于三嗪核Schiff碱结构的GPTMS功能化生物二氧化硅增强聚苯并噁嗪(PBZ)杂化复合材料。通过Mannich缩合合成四种胺类衍生物，优选CN-IM-sa体系构建复合涂层，实现130°疏水角、99.3%腐蚀抑制效率及188℃低温固化，为恶劣环境防护材料设计提供新策略。

　　

在工业装备、海洋工程等领域，材料长期暴露于高温、腐蚀性介质等恶劣环境，传统防护涂层存在热稳定性不足、阻燃效率低、疏水性差等问题。聚苯并噁嗪(PBZ)虽具有本征阻燃性和耐化学腐蚀特性，但其单一组分难以满足复杂工况需求。与此同时，生物源二氧化硅因其绿色可持续性和界面可修饰性，成为增强聚合物性能的理想填料。如何通过分子设计构建兼具多重防护功能的复合材料，成为材料科学领域的重要挑战。

发表于《Reactive and Functional Polymers》的这项研究，创新性地将三嗪核Schiff碱结构与生物二氧化硅杂化策略相结合。研究人员首先通过Mannich缩合反应（一种三组分一锅法合成技术），以三嗪基三酚(CN-IM)为核，分别与苯胺(a)、糠胺(fa)、月桂胺(la)和硬脂胺(sa)反应，制备出四种结构明确的苯并噁嗪单体。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和核磁共振(NMR)进行结构验证后，优选热稳定性相对较低但具有优异疏水性和腐蚀防护潜力的CN-IM-sa作为基体材料。采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)对稻壳提取的生物二氧化硅进行表面功能化，通过溶胶-凝胶法构建有机-无机杂化体系。催化剂优化使固化温度降至188°C，显著提升加工适用性。

结构表征与性能优化

通过差示扫描量热法(DSC)证实催化剂使CN-IM-sa的聚合放热峰从220°C降至188°C。X射线光电子能谱(XPS)显示杂化材料中Si-O-C键的形成，证明生物二氧化硅与聚合物基体的化学键合。

热稳定性与阻燃性能

热重分析(TGA)显示10%热失重温度提升至295°C，800°C残炭率达58%，显著高于纯PBZ的42%。锥形量热测试表明峰值热释放速率降低67%，归因于三嗪核促进炭层形成与二氧化硅的隔热效应协同作用。

表面特性与腐蚀防护

接触角测试显示杂化材料疏水角达130°，电化学阻抗谱(EIS)在3.5% NaCl溶液中呈现10⁸ Ω·cm²的高阻抗值。动电位极化测试计算得出99.3%的腐蚀抑制效率，腐蚀电流密度降低两个数量级。

该研究通过创新的分子工程策略，成功将生物质填料与高性能聚合物相结合。三嗪核提供的交联位点与长链烷基胺赋予的疏水性，协同GPTMS修饰生物二氧化硅的界面增强效应，使材料同时突破低温固化、超疏水和高效防腐等技术瓶颈。这种"一材多效"的设计理念，不仅为化工设备、船舶等领域的防护涂层开发提供新思路，其生物质利用策略也对绿色材料发展具有启示意义。值得注意的是，研究中揭示的三嗪核促进炭层形成的机理，可能为其他阻燃体系的设计提供普适性参考。