综述：基于纳米纤维素和木质素的有机涂层防腐剂技术：系统综述

《Progress in Organic Coatings》：Nanocellulose- and lignin-based corrosion inhibitor technologies for organic coatings: A systematic review

　　瑞安·M·卢莫德（Ryan M. Lumod）| 阿奇·G·鲁达（Archie G. Ruda）| 奥尔德林·P·拉莱姆（Aldrin P. Lalem）| 马尔军·M·拉格邦（Marjun M. Lagbang）| 阿诺德·A·卢布古班（Arnold A. Lubguban）| 高登西奥·C·佩塔尔科林（Gaudencio C. Petalcorin）| 乔瓦尼·J·帕伊拉加（Giovanni J. Paylaga）| 诺埃尔·利托·B·萨松（Noel Lito B. Sayson）| 雷·Y·卡潘庞甘（Rey Y. Capangpangan）| 杰拉德·G·杜曼卡斯（Gerard G. Dumancas）| 阿诺德·C·阿尔古诺（Arnold C. Alguno）

菲律宾伊利甘市伊利甘理工学院（Iligan Institute of Technology）可持续聚合物中心（Center for Sustainable Polymers），9200

**摘要**

向可持续防腐保护转型的趋势加速了对生物衍生涂层系统的兴趣，特别是纳米纤维素、纤维素衍生物和木质素基材料。然而，由于材料结构、改性策略、涂层基质和评估方法的不同，该领域仍然存在碎片化现象，这限制了研究之间的有意义比较。本系统综述利用PRISMA指导的文献选择方法，批判性地评估了基于纳米纤维素和木质素的防腐涂层的最新进展。分析表明，防腐性能来源于界面吸附、屏障增强和电化学稳定的协同作用。纤维素衍生物主要通过吸附作用抑制腐蚀，而纳米纤维素增强的聚合物涂层则通过降低孔隙率和曲折的扩散路径来增强保护效果。木质素基系统通过芳香相互作用、钝化膜稳定性和氧化还原活性提供了额外的功能，尤其是在混合涂层中。尽管经常报告超过90%的抑制效率，但由于测试方法和涂层结构的差异，直接比较各研究结果较为复杂。决定性能的关键因素包括纳米填料形态、表面功能、基质兼容性和分散质量。尽管实验室结果令人鼓舞，但在长期耐久性、测试协议标准化以及纳米技术系统的监管考虑方面仍存在挑战。通过将机制理解与性能分析相结合，本综述为解释当前研究提供了结构化的框架，并确定了可持续防腐涂层合理设计和工业转化的关键方向。

**引言**

腐蚀是影响工业系统最持久的降解现象之一，全球经济损失估计每年约为国内生产总值的3-4%[1][2][3][4][5]。除了经济影响外，腐蚀还带来重大的环境、运营和安全挑战，尤其是在基础设施、运输、海洋和能源领域，这些领域的材料不断暴露在氯化物富集的环境、pH值波动和高温等恶劣条件下。因此，开发有效的防腐策略仍然是材料科学和工程学中的关键优先事项[6][7]。传统上，控制腐蚀依赖于使用铬酸盐、磷酸盐和亚硝酸盐等强效无机抑制剂。特别是铬酸盐抑制剂，因其显著的钝化效果而被视为工业标准[8][9][10]。然而，它们已知的致癌性、在环境中的持久性以及REACH和US EPA等现有指南下的严格使用限制了其持续应用[9][11]。虽然替代无机抑制剂具有较低的毒性，但它们通常生物降解性有限，仍可能造成二次环境污染[12][13][14]。这些限制推动了对可持续、环境友好的防腐策略的兴趣日益增长。在这方面，生物基材料因其可再生来源、低毒性和固有的化学功能而成为有前景的替代品[15]。需要区分这一领域中相关但不同的分类：生物基材料广泛指来自可再生生物资源的物质，而生物材料通常以其与生物系统的相互作用来定义[16]。相比之下，生物衍生纳米材料是经过工程处理或加工以展示纳米尺度尺寸或纳米尺度结构特征的生物基材料，这些特征影响其物理化学行为[17][18]。在腐蚀科学中，纳米尺度形态和表面化学尤为重要，因为它们对吸附、膜形成和界面相互作用具有关键影响[17][18]。

在生物衍生纳米材料中，纳米纤维素和木质素基系统在防腐应用中受到了广泛关注。纳米纤维素（包括纤维素纳米晶体CNC和纤维素纳米纤维CNF）具有高表面积、丰富的羟基功能性和优异的机械性能，从而在涂层系统中实现强界面粘附和增强的屏障性能[14][19][20]。木质素，尤其是纳米颗粒形式，通过其芳香结构、酚基团和氧化还原活性提供额外的功能，有助于吸附驱动的抑制和钝化膜稳定[21][22][23]。与传统的小分子抑制剂不同，这些材料通常通过多种机制同时发挥作用，包括吸附诱导的膜形成、曲折的扩散路径和腐蚀反应的电化学调节[24][25]。尽管具有这些优势，目前关于生物基防腐抑制剂的文献仍然分散。许多研究在实验室条件下报告了超过90%的抑制效率，但在材料类型、改性策略、聚合物基质和测试环境方面存在显著差异[25][26][27]。因此，直接比较各研究结果具有挑战性，材料结构、加工方法和腐蚀性能之间的基本关系尚未得到充分阐明。此外，机制解释往往与性能数据分离，限制了将设计原则推广到实际应用的能力。此外，文献中倾向于将多种材料笼统地归类为生物衍生纳米材料，即使纳米尺度特性并未明确定义或对性能至关重要。这可能导致范围模糊，并阻碍评估这些系统的连贯框架的发展。因此，需要一个明确的、结构化的综合方法来清晰定义材料类别，并系统地将它们的结构特征与腐蚀行为联系起来。

为了填补这些空白，本研究提供了对基于纳米纤维素和木质素的有机涂层防腐抑制剂技术的系统性和批判性评估。采用PRISMA指导的方法[28]，本综述重点关注三个关键维度：(i) 材料结构和化学改性，(ii) 加工和制备策略，以及 (iii) 腐蚀性能和电化学行为。与主要汇编实验结果的先前综述不同，本工作强调了明确的结构-加工-性能-机制关系的建立。通过结合比较分析和机制洞察，本综述旨在确定控制抑制效率和长期稳定性的关键因素。

**方法：使用PRISMA指南的搜索策略**

本系统综述遵循《系统评价和荟萃分析的优先报告项目》（PRISMA）指南进行，以确保在识别和选择用于防腐保护的生物衍生涂层系统的相关研究时的透明度、可重复性和方法学严谨性。

**材料类别和结构特征**

生物基系统的防腐性能从根本上受其分子结构、纳米尺度形态和表面化学的控制。与传统的小分子抑制剂不同，生物衍生材料具有复杂的结构，具有多种能够通过与金属表面通过吸附、配位键合和物理屏障形成相互作用的官能团[10][20]。在本综述中，重点关注基于纳米纤维素和木质素的系统。

**结构改性和制备策略**

生物衍生材料的防腐性能不仅取决于其内在结构，还受到化学改性、纳米尺度工程和涂层制备过程的强烈影响。这些因素共同决定了分散性、界面粘附性和膜的完整性，最终决定了涂层抵抗腐蚀性物质渗透的能力。本部分将结构改性策略与加工和沉积方法结合起来。

**生物基纳米复合涂层中的防腐机制**

基于纳米纤维素和木质素的涂层的防腐性能源于一种协同的多途径机制，包括界面吸附、屏障增强和电化学稳定（图3）。这些过程在分子、纳米尺度和界面层面同时发生，共同限制了腐蚀性物质的侵入并抑制了腐蚀反应。

**基于纳米纤维素和木质素的涂层的比较性能分析**

仅从表格中的效率值无法有意义地解释生物基纳米复合涂层的防腐性能，因为报告的指标受到材料结构、分散质量、基质兼容性和测试条件的显著影响。通过对数据集（表1）进行比较分析，可以揭示控制不同系统防腐性能的一致的结构-加工-性能关系。

**挑战、转化障碍和未来展望**

尽管基于纳米纤维素、木质素及相关生物衍生涂层的实验室研究表现出有希望的性能，但它们向实际和工业应用的转化仍受到限制。这一差距并非由于材料创新的缺乏，而是由于与耐久性、标准化、可扩展性和监管接受度相关的未解决挑战。解决这些问题对于将生物衍生涂层从概念验证系统发展为可靠、可部署的系统至关重要。

**结论**

本综述对基于纳米纤维素、木质素及相关生物衍生涂层的防腐性能进行了系统性和批判性评估，整合了材料结构、改性策略、制备方法、机制理解和比较性能分析。研究结果表明，这些材料提供了传统防腐抑制剂的可行且可持续的替代方案，在受控条件下报告的效率经常超过90%。

**作者贡献声明**

瑞安·M·卢莫德（Ryan M. Lumod）：撰写-审稿与编辑、撰写-初稿、调查、数据分析、概念化。
阿奇·G·鲁达（Archie G. Ruda）：验证、调查、数据分析、概念化。
奥尔德林·P·拉莱姆（Aldrin P. Lalem）：撰写-审稿与编辑、验证、调查、数据分析、概念化。
马尔军·M·拉格邦（Marjun M. Lagbang）：撰写-审稿与编辑、验证、调查、数据分析、概念化。
阿诺德·A·卢布古班（Arnold A. Lubguban）：可视化、监督、概念化。

**资金来源**

作者衷心感谢高等教育委员会（Commission on Higher Education, CHED）通过研究、发展和扩展计划（CHED-RDEP）提供的财政支持。

**利益冲突声明**

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：阿诺德·C·阿尔古诺（Arnold C. Alguno）报告称获得了高等教育委员会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**

本工作由高等教育委员会通过研究、发展和扩展计划（CHED-RDEP）资助。