《Polymers》：Degradation Mechanisms of Epoxy Coatings and Their Adhesion to Cementitious Substrates Under Intense Ultraviolet Radiation
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为进一步揭示高海拔环境下强紫外辐射中环氧涂层的退化机理，并明确其对界面粘附性能的影响，本研究对环氧涂层-水泥砂浆体系进行了考察。开展了紫外（UV）老化试验，并结合衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、表面自由能（SFE）测量、基于原子力显微镜（AF
为进一步揭示高海拔环境下强紫外辐射中环氧涂层的退化机理，并明确其对界面粘附性能的影响，本研究对环氧涂层-水泥砂浆体系进行了考察。开展了紫外（UV）老化试验，并结合衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、表面自由能（SFE）测量、基于原子力显微镜（AFM）的纳米粘附力测量、扫描电子显微镜与能量色散X射线光谱（SEM/EDS）、单轴拉伸试验和拉拔粘附强度试验，研究了不同老化阶段涂层特征分子结构、表面极性、纳米粘附、涂层韧性、宏观粘附性能及界面破坏模式的演变。结果表明，随着UV老化时间的增加，环氧涂层中羟基和羰基相关峰强度增大。涂层的表面自由能升高，其极性分量达到初始值的3.9倍。UV老化28 d后，涂层的纳米粘附力下降了30.1%，韧性从2.82 ± 0.052 MJ·m?3降至1.21 ± 0.027 MJ·m?3，环氧涂层与水泥基基材之间的粘附强度下降了15.7%。此外，随着老化的进行，破坏路径逐渐从基材表面附近的开裂转向涂层-水泥基基材界面附近及涂层内部。相关性分析进一步表明，涂层韧性和纳米粘附性能的下降与宏观粘附强度的退化密切相关。因此，在实际应用中应更加关注这两项性能的优化。
随着基础设施向寒冷、高海拔地区以及高腐蚀介质区域延伸，混凝土结构面临日益复杂的服役环境。长期暴露于湿气和侵蚀性离子会损害混凝土的耐久性。工程中常采用表面防护涂层形成保护屏障，以延缓外部介质侵入。环氧涂层因成膜致密、粘附性良好且抗介质渗透能力强，被广泛用于保护严酷环境中的混凝土结构。然而，高海拔地区空气稀薄，大气对紫外线的散射和吸收能力降低，地表UV辐射强度显著高于低海拔平原地区。长期UV照射会诱发环氧涂层的光氧化老化，改变固化网络中的羰基、羟基等结构，并伴随分子链断裂、氧化产物积累和进一步交联，导致涂层硬化、脆化，韧性及变形协调能力下降，从而降低涂层与水泥基基材间的粘结可靠性，甚至引发界面脱粘。已有研究多集中于涂层表面颜色、光泽、形貌和化学官能团的变化，对涂层微观结构、力学性能退化及其对粘附性能影响机制的系统分析仍较缺乏。因此，系统阐明强UV辐射下环氧涂层的退化行为及其与水泥基基材粘附性能的退化机理，成为高海拔强辐射区混凝土防护的迫切需求。为此，研究人员以环氧涂层-水泥砂浆体系为对象，通过多尺度方法开展UV老化试验，结合多种表征手段研究涂层结构和性能演变。该研究为高海拔强UV辐射区混凝土防护涂层的耐久性评估提供了理论依据和技术支持，论文发表于《Polymers》。
本研究采用的关键技术方法包括：加速UV老化试验模拟高原强辐射环境；ATR-FTIR用于表征涂层特征官能团演变；接触角测量结合SFE计算评估表面极性和润湿性；基于AFM的PFT-QNM模式获取纳米粘附力及分布；SEM/EDS用于观察拉拔断口形貌和元素分布；单轴拉伸试验测定应力-应变曲线并计算韧性；拉拔试验测定涂层与水泥基基材的宏观粘附强度。研究对象为环氧涂层-水泥砂浆体系，涂层为E44环氧树脂配合聚酰胺650固化剂，水泥砂浆采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥制备。
3.1 涂层特征官能团
通过ATR-FTIR分析，随UV老化时间增加，3000–3600 cm
?1区域羟基和胺基相关宽峰以及1500–1800 cm
?1区域羰基相关峰强度逐渐增强。这表明光氧化过程中生成了酮、醛、羧酸等含氧结构，涂层氧化程度随老化加剧。
3.2 涂层表面自由能
3.2.1 涂层接触角
接触角测量显示，去离子水、甲酰胺和二碘甲烷在涂层表面的接触角随老化时间持续下降，分别由82°、71°和52°降至51°、49°和34°，涂层表面逐渐亲水化。这与极性含氧结构的生成及表面微缺陷增多有关。
3.2.2 涂层表面极性
基于OWRK模型计算表明，UV老化后色散分量变化不大，极性分量增至初始值的3.9倍。表面极性增强进一步证实了分子结构中极性基团的积累，且可能促进水分在涂层缺陷处滞留，削弱界面粘附。
3.3 涂层纳米粘附
AFM纳米粘附力测量显示，未老化试样平均纳米粘附力为62.8 ± 1.80 nN，老化7、14、28 d后分别降至56.1 ± 2.60、50.9 ± 2.35和43.9 ± 2.20 nN，降幅为10.7%、18.9%和30.1%。同时，高粘附区域逐渐离散，低粘附区域和局部非均质区域增多，纳米粘附分布的空间变异性增大。这反映了UV老化削弱了涂层局部微观粘附作用，低粘附区域可能成为脱粘的引发点。
3.4 涂层韧性
单轴拉伸试验表明，未老化涂层的拉伸强度为4.79 ± 0.065 Mpa，断裂应变约0.83 ± 0.010；老化28 d后分别降至3.29 ± 0.045 Mpa和0.445 ± 0.008，降幅为31.3%和46.4%。韧性由2.82 ± 0.052 MJ·m
?3降至1.21 ± 0.027 MJ·m
?3，降幅达57.1%。UV老化使涂层逐渐脆化，变形和能量耗散能力显著下降。
3.5 涂层粘附强度
拉拔试验显示，涂层与水泥基基材的粘附强度从未老化的4.13 ± 0.13 Mpa降至老化28 d后的3.48 ± 0.11 Mpa，降幅为15.7%。SEM/EDS分析表明，老化后断口表面残留涂层增多，水泥基材相关元素Ca、Si信号减弱，C信号增强；C/Ca和C/Si原子比分别由1.23和8.32升至5.86和24.05。破坏路径逐渐从基材表面附近的开裂转向涂层-基材界面区域及涂层内部。相关性分析显示，平均纳米粘附力和韧性与宏观粘附强度的Pearson相关系数均为0.99，表明这两项性能的下降与粘附强度退化高度一致。纳米粘附降低导致有效粘附区域连续性下降，韧性降低则削弱界面应力耗散能力，两者共同促使宏观粘附性能恶化。
综合讨论表明，UV老化通过改变环氧固化网络的分子结构，增加表面极性，同时引发纳米粘附和韧性的同步退化。纳米粘附性能的下降反映了局部微观粘附状态恶化，低粘附区域容易成为裂纹萌生和扩展的通道；韧性下降则削弱了涂层与水泥基基材的变形协调性，使界面缺陷处更易发生应力集中。因此，在强UV辐射环境下，涂层韧性及纳米粘附性能是影响宏观粘附强度的关键因素，工程应用中应重点关注其优化设计。
研究结论部分具体如下：(1) 随着UV老化时间增加，环氧涂层中羟基和羰基相关峰强度增大，总表面自由能及其极性分量总体升高，极性分量增至初始值的3.9倍。同时，涂层力学性能逐渐退化，韧性从2.82 ± 0.052 MJ·m
?3降至1.21 ± 0.027 MJ·m
?3，涂层在外部荷载下的变形和能量耗散能力显著下降。(2) 环氧涂层的平均纳米粘附力随UV老化时间持续下降，老化7、14、28 d后分别降低10.7%、18.9%和30.1%。纳米粘附分布也发生显著变化，高粘附区域逐渐离散，低粘附区域和局部非均质区域增多，空间变异性增大，整体粘附性能退化。(3) 在本研究条件下，老化28 d后环氧涂层的宏观粘附强度下降15.7%。随着UV老化进行，破坏路径逐渐从基材表面附近的开裂转向涂层-水泥基基材界面附近及涂层内部。平均纳米粘附力和涂层韧性与粘附强度呈强相关，这两项指标的下降显著削弱了涂层粘附性能。因此，在强UV辐射区域有机防护涂层的优化设计中，应特别关注这些指标及其影响因素。
