通过两亲性界面工程实现TiO?@CTAB-PDMS复合涂层的协同减阻与腐蚀防护

《Progress in Organic Coatings》：Synergistic drag reduction and corrosion protection of TiO?@CTAB-PDMS composite coatings via amphiphilic interface engineering

　　TiO?@CTAB-PDMS涂层将腐蚀电流降低1000倍，同时实现42%的减阻效果。TiO?@CTAB-PDMS涂层将表面细菌覆盖率降低99%。界面锚定与水分子结构化作用使滑移长度提升150%。两亲性界面协同作用实现了减阻与防腐的一体化集成。引言水下减阻与防腐技术在海洋装备的经济效益、安全性和环境可持续性方面发挥着关键作用，尤其是在深海勘探和不断发展的航运业背景下 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]。船舶和海洋结构物持续承受严酷的海水环境，其中生物污损和电化学腐蚀会显著增加表面粗糙度，导致水动力阻力增加10%至50% [6]、[7]、[8]、[9]。这一增加导致燃料消耗上升和碳排放增加。此外，据估计腐蚀每年造成的损失约占全球GDP的3%，对结构完整性和使用寿命构成重大风险 [10]、[11]、[12]。兼具减阻与防腐功能的防护涂层处于创新前沿，推动了无毒、环保型纳米涂层和智能释放系统的发展。这一进步受到国际海事组织（IMO）对防污剂日益严格的法规驱动。因此，加强涂层技术的基础研究对于实现成本降低、运行效率提升和可持续发展至关重要。当前关于减阻与防腐涂层的研究主要集中在三个关键领域：有机-无机纳米复合材料 [13]、[14]、[15]、[16]，表面微纳结构调控 [17]、[18]、[19]、[20]，以及智能功能集成 [21]、[22]。主流策略是将二氧化钛（TiO?）和二氧化硅（SiO?）等纳米颗粒嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂或聚氨酯等高分子基体中。随后，通过喷涂或溶胶-凝胶技术制备低表面能的微纳结构，以协同增强超疏水性和耐腐蚀性能。此外，无氟水性体系的开发解决了环境可持续性问题 [23]。一个显著趋势是在单一涂层中多功能集成防腐、减阻、防冰、防污和导电等性能，使其能够适应深海和极地等极端环境。Deng等人设计了一种超疏水涂层（KH550@SiO?/STA@TiO?/水性聚氨酯），通过在其微观结构中最小化固-液接触面积，减少了腐蚀介质的渗透并降低了流动阻力，实现了27%的减阻率和四个数量级的腐蚀电流降低 [24]。Zha等人将负载苯并三唑（BTA）的pH响应型钴基金属有机框架（Co-MOF）封装在层状二氧化硅壳层内，并进一步用无氟低表面能的十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）层进行改性，使涂层在3.5 wt% NaCl溶液中保持高阻抗模量（>10? Ω·cm2），并实现31.5%的最大减阻率 [21]。Zhao等人通过冷喷涂法制备了多级粗糙超疏水涂层（PPPSS），由PVDF、PDMS和PFDT改性SiO?组成，其在0.01 Hz下的阻抗模量比裸基材高三个数量级，在流动实验中实现了34.5%的最大减阻率 [25]。Zhang等人通过将线性长链聚合物（HPSM）锚定在界面制备了光滑类液体表面（SLLS），并使用旋转流变仪评估其减阻性能，实现了10%的最大减阻率 [26]。Qin等人通过将表面微观结构与缓蚀剂苯并三唑（BTA）相结合，开发了一种涂层，与光滑纯环氧涂层相比，防腐性能提升30%，减阻率提高约10% [27]。He等人通过在H13钢的激光刻蚀鳍状微结构上涂覆HDTMS改性SiO?纳米颗粒，构建了约13.5 μm厚的超疏水涂层，经流变仪测试实现了23.3%的减阻率和95.16%的缓蚀率 [28]。微观结构减阻对雷诺数、压力梯度和偏航角高度敏感 [29]。当运行条件偏离设计条件时，其优势可能迅速衰减甚至转变为增阻。超疏水表面和多孔表面润滑剂注入（SLIPS）的减阻功能分别依赖于气膜和润滑剂的持续存在 [30]。然而，这两种界面介质在实际服役条件下面临损耗或失效的固有挑战。相比之下，双电层是带电固体表面接触电解质溶液时固有的界面结构 [31]。当阳离子表面活性剂（如CTAB）吸附在带负电的表面上时，其阳离子头基锚定于表面，同时疏水烷基链朝向水相，将表面润湿性从亲水转变为疏水，表面电荷从负电转变为正电，从而重构界面双电层的电荷分布和电位梯度。在剪切流场中，界面水分子结构和离子分布被调整；流体与壁面之间的相互作用减弱，界面滑移增强，壁面剪切应力相应降低。由于该机制不依赖易损耗的界面介质，调控双电层在水下减阻应用中具有潜在优势。在本研究中，我们通过溶胶-凝胶法制备了TiO?@CTAB-PDMS有机-无机复合涂层。PDMS作为柔性基底，TiO?纳米颗粒作为刚性骨架。在TiO?纳米颗粒表面构建了均匀的CTAB阳离子改性层。通过改变界面水结构和表面润湿性，降低了流动阻力。与依赖微纳粗糙结构和气膜的超疏水减阻机制相比，该机制不依赖易失效的气-液界面。它可以通过空间位阻效应和竞争吸附阻碍Cl?等侵蚀性离子向涂层内部迁移，从而有助于减缓氯离子诱导的局部腐蚀。因此，其在水下减阻方面具有潜在优势。章节摘要材料本实验中使用的钛酸丁酯（TBOT，化学纯）和无水乙醇（EtOH，分析纯）购自上海阿拉丁生物科技有限公司。浓盐酸（HCl，36–38%，分析纯）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，分析纯）购自国药集团化学试剂有限公司（中国）。聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体及其固化剂（Sylgard 184）购自美国道康宁公司。TiO?@CTAB的形貌与结构图4展示了TiO?纳米颗粒在CTAB改性前后的形貌和微观结构。如图4(a)所示，未改性的TiO?颗粒呈现不规则球形或椭球形，尺寸约为50至200 nm。晶格条纹清晰可见，0.35 nm的晶面间距对应于锐钛矿相的(101)晶面。然而，颗粒之间观察到明显的团聚现象。相比之下，图4(b)显示了结论本研究系统开发了一种兼具减阻和防腐功能的TiO?@CTAB-PDMS复合涂层。通过材料表征、宏观性能测试和分子动力学模拟，揭示了涂层性能提升的微观机制：（1）CTAB通过静电吸附在TiO?纳米颗粒表面形成有机改性层，抑制纳米颗粒团聚。SEM表明，CRediT作者贡献声明Yukun Wei：撰写—初稿，方法学，调查。Zhaoxi Liang：撰写—审阅与编辑，验证。Tongyu Pan：撰写—审阅与编辑，调查，正式分析。Yiwei Hu：撰写—审阅与编辑，验证，软件。Liran Ma：撰写—审阅与编辑，验证，监督，方法学，经费获取，概念化。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢我们感谢国家自然科学基金（No. 52488101）和中国教育部基础与交叉学科突破计划（No. JYB2025XDXM209）的支持。Yukun Wei|Zhaoxi Liang|Tongyu Pan|Yiwei Hu|Liran Ma