納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層的耐蝕性能研究進(jìn)展

張 巧,吳若琳,張仁輝

(華東交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西南昌 330013)

金屬及其合金被廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域[1-3]，如電力線路、管道、水設(shè)施，以及船舶和汽車(chē)等工程中。腐蝕是全世界金屬及其合金在工業(yè)應(yīng)用中面臨的主要問(wèn)題之一，造成了嚴(yán)重的安全隱患、環(huán)境污染和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。金屬及其合金與其環(huán)境發(fā)生反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為相對(duì)更穩(wěn)定的形式[4]，如氫氧化物、氧化物或硫化物的過(guò)程，被定義為腐蝕過(guò)程。

目前，已經(jīng)通過(guò)使用耐腐蝕材料[5]、緩蝕劑[6]、陰極保護(hù)[7]、陽(yáng)極保護(hù)[8]或涂覆保護(hù)涂層來(lái)保護(hù)金屬及其合金免受腐蝕。在各種防腐方法中，在金屬表面涂覆涂層是提高金屬耐腐蝕性最常見(jiàn)的有效方法之一。涂層通過(guò)盡量減少腐蝕劑(水分、氧氣和其他有害腐蝕物質(zhì))到達(dá)金屬表面來(lái)保護(hù)金屬。

環(huán)氧樹(shù)脂(ERs)作為含環(huán)氧乙烷的低聚物，是一類(lèi)特殊的有機(jī)大分子。由于環(huán)氧基的化學(xué)活性，較小的分子可通過(guò)分步或鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)合成較大的分子，固化交聯(lián)生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此它是一種熱固性樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)脂因化學(xué)穩(wěn)定性高、耐腐蝕性好、抗拉強(qiáng)度高、固化收縮率小、黏結(jié)強(qiáng)度高以及價(jià)格低廉[9-11]，被廣泛用作防腐涂層，保護(hù)金屬及其合金在侵蝕性介質(zhì)中免受腐蝕。

然而，在環(huán)氧涂層的固化過(guò)程中，涂層結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)微孔或缺陷[12]，水中的溶解氧、氯離子等腐蝕性物質(zhì)可以通過(guò)涂層破損的路徑相互滲透，導(dǎo)致涂層的耐腐蝕性和附著力降低。因此，制備具有長(zhǎng)期耐腐蝕性和高附著力的涂層需要增強(qiáng)涂層的耐腐蝕強(qiáng)度。近年來(lái)，不同種類(lèi)、大小、形狀和表面功能的納米粒子，如碳納米管、石墨烯、聚四氟乙烯、炭黑、氣相二氧化硅、二硫化鉬、氮化硼等，作為填料已經(jīng)成功加入到環(huán)氧樹(shù)脂中[13-17]。在環(huán)氧涂層中加入納米粒子可以減少涂層本身的破損，提高韌性和附著力，從而提高涂層的使用壽命。在眾多納米粒子中，石墨烯和金屬有機(jī)框架(MOFs)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)成為研究熱點(diǎn)。

目前很少有關(guān)于納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層的系統(tǒng)性研究綜述。本文綜述了納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層在金屬腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，詳細(xì)討論了影響納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層耐蝕性能的因素，探討了納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層的防腐機(jī)理，簡(jiǎn)要介紹了用于環(huán)氧涂層的2種納米材料(石墨烯和金屬有機(jī)框架材料)，總結(jié)了石墨烯和金屬有機(jī)框架材料的改性和修飾方法。最后，對(duì)納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 納米材料/環(huán)氧復(fù)合防腐涂層的研究現(xiàn)狀

1.1 納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層的影響因素

環(huán)氧樹(shù)脂在固化過(guò)程中形成的微裂紋和孔隙是降低涂層長(zhǎng)期耐蝕性的主要缺陷[18]。納米材料科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步開(kāi)啟了一個(gè)新的工程時(shí)代，納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層是納米級(jí)工程的產(chǎn)物。在納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層中，納米粒子的形狀和類(lèi)型在決定復(fù)合涂層性能方面起著重要作用。與不規(guī)則形狀的顆粒相比，球形顆粒在環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)中的結(jié)合能力更強(qiáng)。小的圓形顆粒容易形成光滑的表面。此外，分散顆粒的濃度在影響摻入水平方面起主要作用。顆粒的摻入量隨著濃度的增加而增加，達(dá)到臨界濃度[19]。此時(shí)，合理的摻入量可促進(jìn)納米顆粒在環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)中良好擴(kuò)散，提高環(huán)氧復(fù)合涂層的耐用性和保護(hù)性。但在達(dá)到臨界濃度后，隨著納米顆粒添加量的繼續(xù)增加，納米顆粒之間很容易相互作用，產(chǎn)生巨大的范德華力，從而形成團(tuán)聚體[20]。

為了獲得性能更強(qiáng)的環(huán)氧復(fù)合涂層，納米粒子需要均勻地分散在涂層基質(zhì)中。因此對(duì)納米粒子的表面處理和功能化十分關(guān)鍵。用不同的有機(jī)-無(wú)機(jī)化合物(如表面活性劑)對(duì)納米粒子進(jìn)行表面修飾，使納米粒子表面產(chǎn)生正電荷，可阻礙環(huán)氧涂層基質(zhì)內(nèi)納米粒子的聚集，從而產(chǎn)生光滑的復(fù)合涂層。XIA等[21]用MoS2納米片對(duì)SiO2納米顆粒進(jìn)行改性，制備了分散性良好的SiO2-MoS2納米填料，提高了環(huán)氧涂層的防腐性能和力學(xué)性能。SARI等[22]將淀粉改性納米ZnO(ZnO-St)作為納米填料，合成了一種高度交聯(lián)的透明復(fù)合涂層。HOSSEINI等[23]采用逐層(LBL)組裝法，用咪唑?qū)eO2納米顆粒進(jìn)行表面修飾。與未經(jīng)修飾的納米CeO2環(huán)氧涂層相比，0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))咪唑修飾的CeO2納米顆粒存在下的涂層表面均勻，沒(méi)有更多缺陷。

1.2 納米材料/環(huán)氧自愈合/自修復(fù)涂層

當(dāng)涂層受到輕微損壞時(shí)，在侵蝕性環(huán)境下，微裂紋和局部缺陷可在涂層表面擴(kuò)散開(kāi)來(lái)[24]，導(dǎo)致涂層失效。考慮到這個(gè)問(wèn)題，可將鈍化涂層和活性抑制劑/修復(fù)劑結(jié)合起來(lái)，形成自愈合/自修復(fù)涂層。自愈合/自修復(fù)涂層是指涂層本身不需要人工干預(yù)，在外界刺激(包括物理性刺激，如光、溫度；化學(xué)性刺激，如pH、生物性的酶)下[25]對(duì)裂縫進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于自愈合/自修復(fù)涂層，抑制劑/修復(fù)劑與涂層一起使用，但不可直接向涂層中添加抑制劑/修復(fù)劑。抑制劑/修復(fù)劑被封裝在“膠囊”(微/納米容器)中，并引入到涂層中，在涂層受到破壞時(shí)，“膠囊”里面存儲(chǔ)的愈合劑/修復(fù)劑可以釋放出來(lái)，填充涂層缺損的位置[26-27]。已有文獻(xiàn)證明，開(kāi)發(fā)納米材料/環(huán)氧自愈合涂層是可行的。這種復(fù)合涂層表現(xiàn)出更強(qiáng)的紫外線屏蔽能力、更好的熱穩(wěn)定性和良好的疏水性以及透明度[28-31]。YEGANEH等[32]設(shè)計(jì)了一種負(fù)載磺胺二甲嘧啶緩蝕劑的介孔二氧化硅納米容器/環(huán)氧復(fù)合涂層。與介孔二氧化硅納米容器/環(huán)氧涂層和純環(huán)氧涂層相比，負(fù)載緩蝕劑的二氧化硅/環(huán)氧涂層對(duì)低碳鋼在NaCl溶液中浸泡一個(gè)月后具有更高的防腐性能。GHOMI等[33]通過(guò)在二氧化鈦(TiO2)表面合成吸水性共聚凝膠并將其并入環(huán)氧樹(shù)脂中，制備了一種自愈合涂層。PULIKKALPARAMBIL等[34]開(kāi)發(fā)了一種陽(yáng)光下可自我修復(fù)的生物基環(huán)氧復(fù)合材料。在該雙容器自愈涂層系統(tǒng)中，埃洛石納米管(HNTs)用作納米容器來(lái)封裝生物基環(huán)氧樹(shù)脂修復(fù)劑，二氧化硅納米顆粒用作UV引發(fā)劑的容器的涂層。納米容器破裂，生物基環(huán)氧樹(shù)脂從里面滲出并填充受損部位。環(huán)氧樹(shù)脂被紫外線引發(fā)劑引發(fā)，在陽(yáng)光下開(kāi)始交聯(lián)反應(yīng)，最終裂紋愈合。

1.3 納米材料-環(huán)氧涂層的腐蝕抑制機(jī)制

納米粒子有助于環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)的固化，抑制更多可用于交聯(lián)反應(yīng)的活性位點(diǎn)。因此納米粒子能夠填補(bǔ)環(huán)氧涂層中存在的微裂紋和缺陷，作為障礙物和屏障，減少侵蝕性溶液向金屬界面的擴(kuò)散[35]。納米粒子的高比表面積、較低的自由體積、較高的表面能可以增加金屬基體和涂層之間的界面相互作用[36]，從而導(dǎo)致環(huán)氧涂層阻隔性能的大幅增韌和增強(qiáng)。

LI等[37]用L-半胱氨酸對(duì)Ti3C2TX納米片進(jìn)行修飾，制備功能化水性環(huán)氧涂層，其腐蝕防護(hù)機(jī)理如圖1所示。改性的納米片和環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)之間存在強(qiáng)烈的界面相互作用，因而改性的納米片在環(huán)氧涂層中有更好的分散性。納米片的加入顯著增加了侵蝕性分子或離子在涂層基質(zhì)擴(kuò)散路徑的曲折性，降低了侵蝕性介質(zhì)在涂層中的滲透，提高了Ti3C2TX納米片/水性環(huán)氧涂層的阻隔性能和抗腐蝕性能。

圖1 未改性的Ti3C2TX納米片-水性環(huán)氧涂層(a)和改性的Ti3C2TX納米片-水性環(huán)氧涂層(b)的腐蝕防護(hù)過(guò)程[37]

除了通過(guò)在涂層中加入納米粒子實(shí)現(xiàn)阻隔性能外，還有各種機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)環(huán)氧涂層對(duì)金屬及其合金的主動(dòng)保護(hù)。涂層中的一些抑制性成分可以吸附或沉淀到陽(yáng)極/陰極位置，形成抑制層[38]，并保護(hù)金屬表面。另一些則通過(guò)氧化金屬表面，在活性部位形成鈍化層來(lái)防止腐蝕反應(yīng)的發(fā)生[39]。

YE等[40]提出了硅烷化苯胺三聚體-石墨烯-環(huán)氧復(fù)合涂層(SAT-G/EP)對(duì)Q235鋼的保護(hù)機(jī)制，如圖2所示。對(duì)于純環(huán)氧涂層，阻隔性能較差，Cl-，O2和H2O很容易到達(dá)鋼基體表面，對(duì)Q235鋼的保護(hù)作用較弱(見(jiàn)圖2 a))。與純環(huán)氧涂層相比，0.5%G/EP試樣的耐蝕性略有提高(見(jiàn)圖2 b))。在0.5%SAT-G/EP涂層中(見(jiàn)圖2 c))，經(jīng)0.5%苯胺三聚體功能化的石墨烯在環(huán)氧涂層中分散良好，對(duì)侵蝕性粒子具有良好的屏蔽效應(yīng)。苯胺三聚體可以捕獲金屬基體溶解產(chǎn)生的電子，溶液中的氧化態(tài)聚苯胺轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原態(tài)聚苯胺。鐵離子在氧的存在下被氧化成Fe2O3和Fe3O4，在金屬基體表面形成保護(hù)膜，減少了陽(yáng)極金屬的腐蝕。苯胺三聚體的還原態(tài)聚苯胺可以被氧化成氧化態(tài)聚苯胺，加速鈍化層的形成。但過(guò)量的石墨烯易發(fā)生團(tuán)聚，產(chǎn)生更多的缺陷(見(jiàn)圖2 d))。因此，0.5%SAT-G/EP表現(xiàn)出最好的抗腐蝕性能。

圖2 不同涂層的防腐機(jī)理[40]

圖3顯示了MIL-88A(Fe)顆粒在環(huán)氧涂層中的防腐機(jī)制[41]。環(huán)氧涂層中的MIL-88A(Fe)部分溶解在水中，釋放Fe3+。在微陽(yáng)極區(qū)域，F(xiàn)e3+可以與OH-反應(yīng)，在低碳鋼基體表面形成一層鐵氫氧化物或氧化物的鈍化層。在微陽(yáng)極區(qū)域，低碳鋼氧化產(chǎn)生Fe3+和Fe2+。富馬酸鹽可以化學(xué)吸附在這些區(qū)域上，阻斷電化學(xué)活性區(qū)域，保護(hù)低碳鋼不受侵蝕性溶液的腐蝕。

圖3 MIL-88A(Fe)顆粒在環(huán)氧涂層中的腐蝕抑制機(jī)制[41]

2 納米材料在環(huán)氧復(fù)合涂層中的應(yīng)用

2.1 石墨烯在環(huán)氧復(fù)合涂層中的應(yīng)用

石墨烯是一種典型的、具有代表性的二維片層納米材料，純石墨烯為一個(gè)單原子厚的平面薄片，由sp2六方鍵結(jié)構(gòu)的碳原子構(gòu)成[42]。石墨烯具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、優(yōu)異的化學(xué)惰性、卓越的熱穩(wěn)定性以及完全的不透水性[43-44]。廣義上講，下文提到的石墨烯包括還原石墨烯和氧化石墨烯(GO)，還原石墨烯包括純石墨烯和還原氧化石墨烯(rGO)。氧化石墨烯是石墨烯的重要衍生物之一，含有許多有機(jī)官能團(tuán)，如羥基、羰基、羧基和環(huán)氧基等。氧化石墨烯保留了石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)，端面接枝的有機(jī)基團(tuán)使其具有更強(qiáng)的反應(yīng)活性[45]。

純石墨烯涂層上的針孔、裂紋或劃痕可導(dǎo)致石墨烯和金屬之間的電偶腐蝕，從而加速金屬的劣化。向環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)中添加石墨烯制備石墨烯/環(huán)氧復(fù)合涂層是利用石墨烯特性進(jìn)行金屬保護(hù)的合理方法。然而，純石墨烯的疏水性[46]以及氧化石墨烯來(lái)自極性含氧官能團(tuán)的高表面親水性[47]限制了它們?cè)诃h(huán)氧樹(shù)脂中的分散性。此外，相鄰納米片之間的強(qiáng)大層間作用力通常會(huì)導(dǎo)致石墨烯在聚合物基體中聚集，使石墨烯與環(huán)氧樹(shù)脂之間的相容性較差，嚴(yán)重阻礙了石墨烯在環(huán)氧復(fù)合涂層中的應(yīng)用。石墨烯的均勻分布實(shí)現(xiàn)的物理阻隔性能被認(rèn)為是石墨烯/環(huán)氧復(fù)合涂層具有廣泛應(yīng)用前景的原因。石墨烯分散技術(shù)的研究已成為一個(gè)熱門(mén)話題。事實(shí)上，還原石墨烯(包括純石墨烯和還原氧化石墨烯)和氧化石墨烯都難以分散。克服石墨烯層之間的范德華力[48]是實(shí)現(xiàn)良好分散的重要先決條件。

通常通過(guò)攪拌、超聲波等簡(jiǎn)單的機(jī)械分散[49-50]以及濕轉(zhuǎn)移分散法[51]來(lái)實(shí)現(xiàn)未改性石墨烯的分散。除此之外，化學(xué)共價(jià)修飾或非共價(jià)修飾被廣泛用于改善石墨烯與環(huán)氧樹(shù)脂之間的相容性[52-53]，以提高石墨烯在環(huán)氧樹(shù)脂中的分散效率。由于GO表面有活性中心，因此GO更容易通過(guò)化學(xué)共價(jià)修飾[54]。但由于氧化基團(tuán)的存在，GO存在結(jié)構(gòu)缺陷，其機(jī)械性能和阻隔效應(yīng)也相應(yīng)降低。共價(jià)修飾有利于保持石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度和分散穩(wěn)定性，而非共價(jià)修飾有利于保持其物理結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導(dǎo)電性[51,55-56]。為了獲得滿足自身需要的石墨烯/環(huán)氧復(fù)合涂層產(chǎn)品，石墨烯的來(lái)源和改性方法是需要考慮的2個(gè)方面。表1總結(jié)了已有研究關(guān)于石墨烯來(lái)源和修飾的一些方法，介紹了其在環(huán)氧復(fù)合涂層中的應(yīng)用[57-69]。

表1 環(huán)氧復(fù)合涂層中的石墨烯的來(lái)源和修飾方法[57-69]

2.2 金屬有機(jī)框架在環(huán)氧復(fù)合涂層中的應(yīng)用

金屬有機(jī)框架(MOFs)是一類(lèi)新型的晶體多孔一維、二維或三維納米材料。作為一種配位聚合物，MOFs由金屬離子或金屬氧化物團(tuán)簇(如鋅、銅、鉻、鋁和鋯)作為前驅(qū)體，有機(jī)連接物(主要是含N芳香族或芳香羧酸的二價(jià)/三價(jià)模式)為配體，從而形成高度規(guī)則的多孔網(wǎng)絡(luò)[70-71]。與傳統(tǒng)納米填料(即純二氧化硅、氧化鋁和碳基材料)相比，MOFs與有機(jī)聚合物的相容性更好[72]，在不進(jìn)行任何有機(jī)改性的情況下，它們中的活性基團(tuán)可以與聚合物鏈發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。MOFs可以通過(guò)控制金屬離子和有機(jī)連接物的類(lèi)型和數(shù)量靈活地改變結(jié)構(gòu)[73-74]。因此，MOFs具有非常大的表面積、永久孔隙率、化學(xué)多樣性、功能靈活性，以及高機(jī)械性和熱穩(wěn)定性[71,75-77]。此外，一些MOFs復(fù)合物還具有抗菌性能[78]、自清潔能力[79]和易回收性[80]。這種晶體多孔材料可以通過(guò)幾種方法構(gòu)建，如水(溶劑)熱法、電化學(xué)合成法、超聲波和微波輔助法、機(jī)械化學(xué)合成和擴(kuò)散法[81-85]，每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

MOFs的結(jié)構(gòu)可調(diào)性、大比表面積、低密度、高封裝活性部分的能力、良好的選擇相互作用能力[86-88]，以及進(jìn)一步功能化的可能性使其擁有多種用途。MOFs與無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物的高親和力相互作用使它們能夠形成高度交聯(lián)的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化結(jié)構(gòu)[89]，通過(guò)適當(dāng)選擇MOFs配體，并用具有反應(yīng)性的官能團(tuán)進(jìn)行修飾，以及將MOFs用作封裝緩蝕劑的膠囊，將具有所需結(jié)構(gòu)的高度多孔MOFs引入熱固性環(huán)氧樹(shù)脂中，可以使環(huán)氧樹(shù)脂較易固化，制備用于高級(jí)涂層應(yīng)用的MOFs/環(huán)氧復(fù)合材料，進(jìn)一步增強(qiáng)環(huán)氧涂層的防腐性能。WANG等[90]將多巴胺(DA)接枝到MOF-5表面，合成了一種新型多巴胺金屬有機(jī)骨架(DA-MOF)，提高了涂層的交聯(lián)密度，改善了涂層的阻隔性能。REN等[91]制備了負(fù)載有緩蝕劑的MOFs基防腐材料ZnG@ZIF-8，將這種復(fù)合防腐材料均勻分散在環(huán)氧樹(shù)脂中，制備了涂層(ZnG@ZIF-8/EP涂層)。表2列出了MOFs用作環(huán)氧復(fù)合涂層填料的情況，提供了最近研究的主要成果。

表2 MOFs在環(huán)氧復(fù)合防腐涂層中的應(yīng)用

3 問(wèn)題與展望

3.1 問(wèn)題討論

環(huán)氧樹(shù)脂的脆性和強(qiáng)度不足以及其他缺點(diǎn)可以通過(guò)在樹(shù)脂基質(zhì)中加入納米材料來(lái)克服。石墨烯作為一種二維片層納米材料，由于其大的比表面積、優(yōu)異的阻隔性能、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性被廣泛用作環(huán)氧涂層的填料。大多數(shù)MOFs材料具有高親和力相互作用，在環(huán)氧樹(shù)脂中加入MOFs會(huì)提高環(huán)氧樹(shù)脂的耐蝕和機(jī)械性能。MOFs這種多孔配位聚合物優(yōu)于傳統(tǒng)的納米多孔材料，如介孔二氧化硅和碳納米管，可用作負(fù)載抑制劑或修復(fù)劑的“膠囊”(微/納米容器)。

納米材料作為填料在環(huán)氧復(fù)合涂層中應(yīng)用前景良好，使用納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層是一種長(zhǎng)期預(yù)防金屬腐蝕的方法。隨著對(duì)納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層耐蝕性能影響因素、緩蝕機(jī)理研究的不斷深入，如何更好地發(fā)揮復(fù)合涂層對(duì)金屬腐蝕的防護(hù)作用尚存在以下問(wèn)題。

1)環(huán)氧樹(shù)脂作為涂層基質(zhì)在金屬及其合金的腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域的研究還需進(jìn)一步完善，目前溶劑型環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用較廣，水溶性環(huán)氧樹(shù)脂的使用仍處于發(fā)展階段，有待更為深入的探索。

2)關(guān)于納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層與金屬之間的相互作用機(jī)制還需借助計(jì)算工具進(jìn)一步探討，使用密度泛函理論(DFT)、分子動(dòng)力學(xué)模擬(MD)和蒙特卡羅(MC)模擬等理論計(jì)算技術(shù)選擇填料，以及研究填料與涂層基質(zhì)相互作用的研究還很不夠。

3)對(duì)于二維片層納米材料和三維納米材料在環(huán)氧復(fù)合涂層中的協(xié)同抗腐蝕性能未做進(jìn)一步研究，將MOFs與石墨烯、氮化硼、二硫化鉬或其他二維材料相結(jié)合是一種新的思路。

3.2 研究展望

日益增長(zhǎng)的生態(tài)、健康和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)促使人們?cè)絹?lái)越多地探索更加綠色、安全和環(huán)境友好的涂層以保護(hù)金屬免受腐蝕。基于綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展的理念，未來(lái)納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層的可能發(fā)展方向如下。

1)通過(guò)在環(huán)氧樹(shù)脂主鏈或側(cè)鏈中引入親水性基團(tuán)可對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)改性，或用其他樹(shù)脂對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性。與單一環(huán)氧樹(shù)脂成分作為涂層基質(zhì)相比，其他樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂以合適的比例和方法混合后共同使用更加經(jīng)濟(jì)高效。

2)采用密度泛函理論、分子動(dòng)力學(xué)模擬和蒙特卡羅模擬等強(qiáng)大的理論計(jì)算工具進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)納米填料與環(huán)氧樹(shù)脂界面的分子作用機(jī)制研究，從腐蝕性介質(zhì)在涂層內(nèi)微觀擴(kuò)散的可能性路徑出發(fā)，探討復(fù)合涂層對(duì)金屬基體“主動(dòng)保護(hù)”和“被動(dòng)保護(hù)”的腐蝕抑制機(jī)理。

3)將MOFs與其他類(lèi)型的納米材料如氧化石墨烯結(jié)合使用，或?qū)OFs用于納米材料的改性，以及將MOFs或者其他中空介孔納米材料用于制備抑制劑/修復(fù)劑的容器，從而開(kāi)發(fā)用于防腐涂層的具有優(yōu)異耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性以及機(jī)械性能的納米復(fù)合材料。

4)對(duì)于自愈合/自修復(fù)涂層，其研究重點(diǎn)集中在微/納米容器即“膠囊”的制備以及自修復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。如何使包裹在納米容器內(nèi)部的抑制劑/修復(fù)劑對(duì)外界刺激(光、溫度、pH值)進(jìn)行響應(yīng)并填充受損部位，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

本課題組擬在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步合成多種樹(shù)脂成分的樹(shù)脂基質(zhì)，從分子角度設(shè)計(jì)功能性納米材料(二維和三維)，以及對(duì)納米材料進(jìn)行表面處理，從理論計(jì)算的角度探究填料與樹(shù)脂基質(zhì)界面的微觀作用，從而改善納米填料與樹(shù)脂基體的相容性，為進(jìn)一步提高納米材料/環(huán)氧復(fù)合涂層的防護(hù)性能提供新的可能性。