《International Journal of Molecular Sciences》：Carbon Fiber- vs. Glass Fiber-Reinforced PA12 Under Protic Ionic Liquid Lubrication: Friction, Wear and the Limits of Reinforcement in FFF-Printed Composites
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摘要专业翻译
金属材料在腐蚀性环境中的腐蚀问题仍是影响工业结构和设备耐久性的重大挑战。在此背景下，基于天然材料的防护涂层作为传统防腐体系的可持续替代方案日益受到关注。本研究评估了添加龙血树脂（Croton lechleri）改性的松香基涂层的理化、热学及防腐性
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金属材料在腐蚀性环境中的腐蚀问题仍是影响工业结构和设备耐久性的重大挑战。在此背景下，基于天然材料的防护涂层作为传统防腐体系的可持续替代方案日益受到关注。本研究评估了添加龙血树脂（Croton lechleri）改性的松香基涂层的理化、热学及防腐性能。将含0.5 wt.%和1.0 wt.%天然树脂的配方分别涂覆于碳钢和铝基材上。研究人员采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）对制备的涂层进行表征，并通过海水浸泡60分钟的加速直流腐蚀试验及30天海水浸泡试验评估其防腐性能。结合质量损失测量及方差分析（ANOVA）和Tukey多重比较检验，比较不同配方的防护性能。FTIR分析表明，龙血树脂的掺入未显著改变松香基质的化学结构，而TGA和DSC证实所制备涂层具有足够的热稳定性。含0.5 wt.%龙血树脂的配方在碳钢和铝基材上均表现出最低的质量损失，与未涂覆对照组相比，经30天海水浸泡后质量损失分别降低约55.1%和73.2%。30天海水浸泡试验和加速直流腐蚀试验均一致表明，含0.5 wt.%龙血树脂的配方是最有效的涂层体系。上述研究结果表明，龙血树脂是一种具有前景的可持续生物基添加剂，能够增强松香基涂层对暴露于海洋环境中金属基材的阻隔性能和防腐性能。
论文解读
一、研究背景与意义
金属材料的腐蚀是影响工业基础设施的关键挑战之一，由此带来的经济损失、运行风险和环境问题不容忽视。这一电化学过程通过金属与环境因素（如水分、氧气和侵蚀性离子）的相互作用，逐步导致金属材料劣化，显著增加了石油天然气、化工、海洋、交通和建筑等行业的维护成本并缩短了设备使用寿命。在众多防腐策略中，有机防护涂层因其有效性和经济可行性而被广泛认可，其核心机制是作为物理屏障将金属基材与腐蚀环境隔离，限制水、氧气和侵蚀性离子的渗透。然而，传统防护涂层多基于石油衍生的合成聚合物，其对不可再生资源的依赖以及生产和废弃过程中潜在的有害物质释放引发了环境关切，推动了绿色替代方案的探索。
近年来，生物基聚合物和天然树脂因其可再生来源、可生物降解性、相对低毒性及化学功能性而备受关注。松香作为一种最具前景的可再生材料，来源于松属植物含油树脂蒸馏后的固体残留物，主要由松香酸衍生物等树脂酸组成，具有疏水性、优异的成膜能力、可生物降解性以及与天然和合成组分的良好相容性。已有研究表明，松香基配方在与功能添加剂结合时可提供有效的腐蚀防护。龙血树脂（Croton lechleri）是另一种具有应用潜力的天然树脂，其化学成分复杂，富含酚类化合物、原花青素、二萜类化合物及其他具有显著抗氧化活性的生物活性次生代谢物。然而，将天然植物树脂掺入防护涂层的研究仍相对有限，特别是关于树脂浓度对涂层性能和长期耐蚀性的影响。现有研究多集中于龙血树脂提取物作为溶液中腐蚀抑制剂的应用，而将其作为功能添加剂掺入天然聚合物基体以开发面向海洋环境的防腐涂层的研究信息有限。因此，本研究旨在开发由松香和龙血树脂配制的生物基防腐涂层，并系统评估龙血树脂浓度对碳钢和铝基材上涂层理化、热学及腐蚀防护性能的影响。
二、研究内容与主要结论
研究人员开发了纯松香涂层、含0.5 wt.%龙血树脂的松香涂层和含1.0 wt.%龙血树脂的松香涂层三种配方，将其应用于碳钢和铝基材，并通过多种表征手段和腐蚀试验评估其性能。研究发现，龙血树脂的掺入未显著改变松香基质的化学结构，两种天然树脂之间的相互作用主要基于氢键等物理作用力。热分析结果表明，龙血树脂的掺入使涂层在主要降解阶段的Tmax值从纯松香的269.6 °C提高至约300 °C，表明其改善了树脂基质的热稳定性，同时保持了天然树脂基材料典型的无定形特征。在30天海水浸泡试验中，含0.5 wt.%龙血树脂的配方在碳钢和铝基材上均表现出最低的质量损失，与未涂覆对照组相比分别降低约55.1%和73.2%。加速直流腐蚀试验同样一致地鉴定出含0.5 wt.%龙血树脂的配方为最优涂层体系。方差分析（ANOVA）和Tukey多重比较检验确认了各处理间存在统计学显著差异。值得注意的是，将龙血树脂含量提高至1.0 wt.%并未带来额外的腐蚀防护效果，反而在某些情况下导致防护性能下降，这可能与高浓度添加剂在聚合物基体中形成局部聚集或异质性区域有关。
三、关键技术与方法
本研究采用的主要技术方法包括：傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于表征涂层化学结构和官能团；热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）用于评估涂层的热稳定性和热转变行为；30天海水浸泡试验用于评估涂层在自然暴露条件下的长期阻隔性能，海水采集自厄瓜多尔马纳比省曼塔沿海地区；加速直流腐蚀试验在3 V恒定电位下于海水中进行60分钟，用于加速评估涂层的防腐性能；质量损失测量结合方差分析（ANOVA）和Tukey多重比较检验用于统计比较不同配方的防护性能。
四、研究结果
4.1 涂层的理化与热学表征
ATR-FTIR光谱分析显示，松香基样品在1690–1710 cm-1区域呈现与树脂酸中羰基（C=O）伸缩振动对应的最强吸收带，2850–2950 cm-1区域对应脂肪族C–H伸缩振动，1200–1300 cm-1区域归因于C–O伸缩振动。龙血树脂在3200–3500 cm-1区域呈现与酚类化合物羟基（–OH）相关的宽吸收带。改性配方的红外光谱保留了松香的特征吸收带，表明龙血树脂的掺入未显著改变树脂基质的化学结构，两者之间主要通过氢键等物理相互作用结合。随着龙血树脂含量的增加，3200–3500 cm-1区域的吸收带出现轻微展宽，尤其在含1.0 wt.%的配方中更为明显，这归因于龙血树脂中天然存在的富含羟基的酚类组分。
TGA分析显示，所有样品在30–200 °C之间出现初始质量损失，归因于残余乙醇的蒸发、物理吸附水分及树脂中天然存在的低分子量挥发性化合物的释放。主要降解阶段发生在230–320 °C之间，对应松香基质及其树脂酸的热分解。含0.5 wt.%龙血树脂的配方将T5%和T10%值分别从199.8 °C和220.4 °C提高至210.3 °C和234.9 °C，表明涂层初始热稳定性得到改善。两种改性配方的Tmax值均显著提高，从纯松香的269.6 °C增加至约300 °C，表明龙血树脂的掺入改善了树脂基质主要降解阶段的热稳定性。
DSC分析显示，所有配方在约30–120 °C之间呈现宽而低强度的吸热事件，归因于物理吸附水分和残余乙醇的去除。在120–320 °C之间未观察到明显的玻璃化转变、熔融或结晶峰，表明所有配方保持了天然树脂基材料典型的无定形特征。
4.2 海水浸泡试验结果
经过30天海水浸泡后，未涂覆的碳钢和铝试样表现出最显著的表面劣化和局部腐蚀特征。涂覆松香基涂层的试样腐蚀损伤程度明显降低，其中含0.5 wt.%龙血树脂的配方在两个基材上均表现出最佳的表面保持状态。质量损失测量结果与视觉观察一致：碳钢未涂覆对照组的质量损失最高，而含0.5 wt.%龙血树脂配方的质量损失最低，较未涂覆对照组降低约55.1%；铝基材的质量损失从裸基材的0.396 ± 0.082 g降至含0.5 wt.%龙血树脂配方的0.106 ± 0.030 g，降低约73.2%。方差分析（ANOVA）显示，碳钢（F = 18.36，p < 0.05）和铝（F = 20.15，p < 0.05）各处理间均存在统计学显著差异。Tukey多重比较检验一致地将含0.5 wt.%龙血树脂的配方鉴定为最优处理。
4.3 加速直流腐蚀试验结果
加速直流腐蚀试验在3 V恒定电位下于海水中进行60分钟。未涂覆碳钢样品表现出最高的质量损失，试验过程中观察到快速的气体逸出和不溶性腐蚀产物的早期形成。松香作为涂层基质降低了质量损失，但腐蚀产物的存在表明保护膜并非完全不可渗透。含0.5 wt.%龙血树脂的配方在两个基材上均表现出最低的质量损失，表明龙血树脂的掺入促进了更致密和稳定的保护膜形成，改善了涂层的阻隔性能。含1.0 wt.%龙血树脂的配方未提供额外的保护改善，在碳钢上质量损失达到与空白样品相似甚至略高的水平，这可能与高浓度添加剂导致涂层内形成异质性、微孔或不连续区域有关。方差分析（ANOVA）确认了碳钢（F = 55.87，p < 0.05）和铝（F = 14.86，p < 0.05）各处理间存在统计学显著差异。
五、讨论与结论
讨论部分指出，含0.5 wt.%龙血树脂涂层在两个腐蚀试验中表现出的优异防腐性能表明，该浓度达到了添加剂效能的最大化水平。在此浓度下，龙血树脂中天然存在的生物活性组分，特别是酚类化合物，可能通过促进其在松香基质中的更均匀分布来改善涂层的阻隔性能，减少水和氯离子等侵蚀性物种的扩散。ATR-FTIR分析表明龙血树脂的掺入未显著改变松香基质的化学结构，DSC证实了配方的无定形特征得以保持，TGA则揭示了热稳定性的轻微改善，这表明防腐性能的增强主要源于物理阻隔性能的改善而非树脂基质的化学改性。相比之下，将龙血树脂含量提高至1.0 wt.%未产生额外的腐蚀保护，较高浓度的天然提取物可能导致聚合物基体内形成局部区域或聚集体，产生促进腐蚀介质渗透的结构异质性。此外，龙血树脂富含含羟基的多酚化合物，过量掺入可能增加涂层对水的亲和力，部分削弱涂层的阻隔效应。这种在中等添加剂浓度下达到最佳性能的行为在其他生物基添加剂掺入聚合物体系的报道中也有类似记载。
研究结论部分翻译如下：本研究表明，添加龙血树脂（Croton lechleri）改性的松香基涂层可以成功开发为生物基防腐涂层。ATR-FTIR分析证实龙血树脂的掺入未显著改变松香基质的化学结构，而DSC和TGA分析表明所制备配方保持了适用于涂层应用的足够热稳定性。在所评估的配方中，含0.5 wt.%龙血树脂的涂层在碳钢和铝基材上均表现出最佳的防腐性能，在30天海水浸泡试验中质量损失分别降低约55.1%和73.2%。海水浸泡试验和加速直流腐蚀试验均一致地将含0.5 wt.%龙血树脂的配方鉴定为最优涂层体系。统计分析确认了各处理间的显著差异，表明天然添加剂的适度掺入改善了松香基质的阻隔性能并减少了腐蚀条件下基材的劣化。相反，将龙血树脂含量提高至1.0 wt.%未提供额外保护，在某些情况下反而导致防护性能下降，这表明过量的添加剂负载可能降低涂层均匀性，从而削弱其阻隔性能。总体而言，研究结果证明了龙血树脂作为松香基涂层可持续生物基功能添加剂的潜力，含0.5 wt.%龙血树脂的配方在涂层完整性、热稳定性和防腐性能之间达到了最佳平衡，支持了面向暴露于侵蚀性海洋环境中金属基材的环保防护涂层的开发。
