一种具有动态Fe3+配位功能的多功能两性离子-邻苯二酚聚合物，用于自修复及抗氯离子的海水用防腐涂层

《Marine Pollution Bulletin》：A multifunctional zwitterionic–catechol polymer with dynamic Fe3+ coordination for self-healing and chloride-resistant marine anticorrosion coatings

　　

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  研究人员开发出一种具有动态Fe³⁺配位功能的多功能两性离子-儿茶酚聚合物。
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  该涂层能够实现极高的阻抗值（约10⁹ Ω·cm²）以及极低的腐蚀电流（约10^?9 A·cm^?2）。
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  该涂层具备快速的自修复能力，24小时内可恢复约90%的功能，48小时内可恢复约95%。
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  氯离子的扩散被有效抑制（D约为1.8 × 10^?15 m²·s^?1），且其渗透过程也会被延缓。
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  该涂层的防护机制结合了水化层、配位键以及动态修复功能。

引言

在海洋环境中，金属结构容易发生降解，这一问题对船舶、海上平台、管道以及浮式光伏和海水淡化装置等新兴系统都构成严重威胁。海洋环境的恶劣条件，包括氯离子、溶解氧、干湿循环、机械侵蚀以及生物污染等，都会加速电化学腐蚀并导致局部损伤（Liang等人，2024年）。近期的一些研究指出，防护策略正从传统的被动屏障涂层向能够在复杂海洋环境下保持耐腐蚀性的多功能自适应系统转变（Saikia等人，2025年；Sharma等人，2025年）。

由于成本较低且加工技术成熟，环氧树脂、聚氨酯和丙烯酸类传统聚合物涂层至今仍被广泛使用。然而，这类涂层存在固有缺陷，比如聚合物网络中的自由体积和微缺陷，使得其在长期暴露于海洋环境中时，水和氯离子能够逐渐渗透进去（Zhou等人，2026年）。这会导致涂层膨胀、塑化、出现微裂纹以及界面分层，进而引发涂层下的腐蚀现象。虽然人们通过添加纳米填料来延长离子扩散路径，但这类填料的实际效果往往受到分散质量和与基体界面相容性的限制，因此如何在保证涂层机械强度、耐用性的同时维持其长期的电化学稳定性，仍然是一个尚未解决的问题（Cui等人，2020年；Liu等人，2025年）。

自修复涂层被视为解决因损伤导致的涂层失效问题的有效途径。目前人们已经研究了多种外部修复系统（如微胶囊和纳米容器）以及内部修复系统（如动态共价键和金属-配体配位机制）（Afrinaldi等人，2023年）。尽管已经取得了一些进展，但大多数这类系统仅能实现局部修复，无法在长期接触氯离子的环境中维持稳定的离子屏障作用，往往只能起到事后修复的作用，而非具备主动防护功能（Cordoba等人，2025年；Cui等人，2020年）。

两性离子聚合物因其带有共价连接的阳离子和阴离子基团，能够与水分子形成稳定的水化层，因此近年来逐渐成为用于调控离子行为的理想涂层成分（Blackman等人，2019年；Makhlooghiazad等人，2022年）。最近，Long等人证明，具有水响应特性的两性离子水凝胶刷涂层能够将界面处的水重新组织成更有序的氢键水层，从而降低水合氯离子的吸附程度，提升在含氯环境中的长期耐腐蚀性能（Long等人，2024年）。这一发现表明，两性离子的水化作用不仅会影响表面的润湿性，还能在防腐涂层中起到调控界面氯离子浓度的作用。不过，直接在耐久性防腐涂层中使用两性离子结构仍然面临挑战，因为如果不能将其与增强结构或疏水结构单元合理结合，其较高的亲水特性可能会影响涂层的机械稳定性、致密性以及与基体的粘附力（H. Wang等人，2025a年）。因此，将两性离子水化层与强粘附基团、低表面能结构段以及动态配位交联结构相结合，有望同时实现抑制氯离子传输和保障海洋防护涂层长期电化学稳定性的目标。

另一方面，受贻贝粘附机制启发的儿茶酚化学结构也具备出色的界面粘附能力和金属离子配位能力。近期的一些研究表明，儿茶酚与金属之间的相互作用可以实现自钝化、自修复以及界面稳定化效果（Maiti等人，2026年；Xiong等人，2025年）。但目前大多数相关研究仍然依赖于表面改性或添加特定添加剂，而非构建能够实现长期离子传输控制及结构自适应调整的集成聚合物网络（Zhai等人，2025年）。

因此，目前仍缺乏一种能够同时实现离子传输调控、优异界面粘附性以及内在自修复功能的统一材料体系。在这项研究中，我们提出了一种全新的聚合物结构设计，该设计结合了两性离子单元来实现基于水化作用的离子调控功能，利用儿茶酚基团来增强界面粘附力并实现金属离子配位，同时还通过动态Fe³⁺交联机制来实现自适应自修复功能。这一集成设计旨在为在恶劣海洋环境中的金属结构提供持久且功能多样的防腐保护。

章节要点

材料

甲基丙烯酸磺丁酯（SBMA，纯度≥98%）和甲基丙烯酸乙二醇二酯（EGDMA，纯度98%）购自美国Sigma-Aldrich公司；氟化甲基丙烯酸酯（FMA，纯度97%）则来自日本TCI Chemicals公司。4-氰基-4-(苯基硫代碳硫基)戊酸（CPADB，纯度97%）和偶氮二异丁腈（AIBN，纯度98%）由美国Alfa Aesar公司提供，其中AIBN在使用前还经过乙醇重结晶处理。多巴盐酸盐和甲基丙烯酸酐被用来合成多巴甲基丙烯酰胺（DMA）。

涂层的结构特征与表面性能

图1和图S1共同证明了基于儿茶酚的多功能涂层系统的成功构建，而图S5则提供了实验数据，用以支持所提出的水化-粘附-配位协同作用机制。图S1a–d中的核磁共振谱图首先证实了由多巴衍生的单体和聚合物中间体是逐步形成的。对于DMA而言，其特征性的儿茶酚芳香族质子信号出现在6.5–7.0 ppm范围内，而羰基

结论

在这项研究中，通过将两性离子结构单元、儿茶酚化学功能以及动态Fe³⁺配位机制整合到同一个聚合物网络中，研究人员成功开发出一种具有内在自修复功能的新型防腐涂层。实验结果表明，这种多功能设计不仅提升了涂层的各项性能，更重要的是，它形成了一种协同作用机制，能够同时解决传统涂层存在的诸多缺陷，比如屏障稳定性不足、防护效果较弱等问题

作者贡献说明

Phuoc-Cuong Le： 数据整理、定量分析、概念构思、研究方法设计、论文撰写与修订、项目监督。 Dinh Nhi Bui： 论文初稿撰写、概念构思、研究方法设计、论文撰写与修订。 Xuan Kien Bui： 数据整理、定量分析、概念构思、研究方法设计、论文撰写与修订。 Dinh Ngo Vu： 研究方法设计、数据整理、定量分析、论文撰写与修订。 Van Chau Dinh： 概念构思、研究方法设计、项目监督。 Thi Thao Minh： 论文撰写——

资金来源

本研究未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织提供的专项资助。

利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

我们衷心感谢电力大学在技术方面给予我们的支持。部分实验工作是在越南工业大学完成的，我们要感谢该大学的实验室工作人员在技术协助以及仪器使用方面为我们提供的帮助。

Phuoc-Cuong Le|Dinh Nhi Bui|Xuan Kien Bui|Dinh Ngo Vu|Van Chau Dinh|Thi Thao Minh|Tan Nhat|Ken Kawamoto