多尺度结构可控的聚苯并噁嗪/聚硅氧烷纳米复合涂层的防腐蚀机理研究

In the recent decade, a lot of efforts have been made to study nanocomposite coatings for corrosion protection. Fabrication of novel nanocomposite coating with controllable structure is of great significance to improve corrosion resistance. Shape-controlled benzoxazine functional polysiloxane nanoparticles were synthesized through sol-gel method in this study, which were used to fabricated novel polybenzoxazine/polysiloxane nanocompsite coatings with controllable multiscale structure (molecular structure and hydrogen bonding network of polybenzoxazine , interfacial structure between two phases and microstructure of coating). FTIR, XPS, SEM, et al were utilized to characterize structure of composite coatings, electrochemical technology and equivalent circuit model were also used to investigate corrosive medium barrier ability and corrosion resistance of nanocompsite coatings. This research proposed to reveal effects of multiscale structure on the coatings’ performance, explain the anti-corrosion mechanism of nanocomposite coatings, and provide theoretical basis for structural design of nanocomposite coatings.

纳米复合防腐蚀涂层已成为目前国内外金属腐蚀防护领域的研究热点，构筑结构可控的新型纳米复合涂层对其防腐蚀性能提升意义重大。本项目拟通过溶胶-凝胶技术制备形貌可控的苯并噁嗪官能化聚硅氧烷纳米粒子，并基于此构建多尺度结构（苯并噁嗪分子结构及氢键网络结构、涂层两相界面结构、涂层微结构）可控的新型聚苯并噁嗪/聚硅氧烷纳米复合涂层。通过FTIR、XPS、SEM等技术手段表征复合涂层结构信息，利用电化学测试方法以及等效电路模型拟合技术考察复合涂层屏蔽腐蚀介质渗透的能力和防腐蚀性能。本项目旨在揭示涂层多尺度结构对宏观性能的影响规律，阐明其防腐蚀作用机理，进而为纳米复合涂层的结构设计提供理论依据。

为了研究聚苯并噁嗪基纳米复合涂层多尺度结构对其宏观防腐蚀性能的影响规律，本研究通过多种技术手段和设计方法实现了具有规律性分子结构、交联结构、微纳结构、界面结构的新型纳米复合涂层的可控制备：1）通过分子设计手段成功制备了具有不同数量噁嗪官能结构或具有不同噁嗪环氮原子取代基的苯并噁嗪单体，研究了其单体物理性质和固化行为，进一步调控复合体系主体聚合物的分子结构；2）通过将具有不同分子结构的苯并噁嗪单体与环氧树脂聚合，成功制备出了一系列交联密度不同的复合涂层；3）以苯并噁嗪官能化硅氧烷为原料，通过溶胶-凝胶自组装过程成功合成了具有苯并噁嗪官能结构的聚硅氧烷粒子，并掌握了其尺寸、形貌的精确控制技术，其粒径可在纳米级、微米级以及毫米级范围内进行调节，进而通过引入不同纳米材料实现复合体系微纳结构的有效控制；4）通过表面化学修饰法制备了表面具有不同有机官能团（甲基、环氧基、苯并噁嗪基）的纳米粒子，将其引入到聚苯并噁嗪网络中，调控两相间的相互作用强（化学键合）弱（范德华力）。.本项目通过对以上具有不同结构复合涂层防腐蚀性能的研究，揭示了复合涂层多尺度结构对其宏观性能的影响规律：1）分子层面：苯并噁嗪单体噁嗪官能结构数量越多，交联质点越多，聚合位阻越大。以双官能结构体系具有最合适的交联密度，防腐蚀性能及稳定性最佳；2）微纳结构层面：纳米材料与主体聚合物亲和性越好，分散取向越好，能够更好地增强涂层防腐蚀性能；3）界面结构层面：在不改变主体聚合网络结构，以附加化学键合方式分布在涂层中的纳米材料能够更好地提高涂层防腐蚀性能及稳定性。基于此，本项目提出了基于多尺度结构的聚苯并噁嗪基复合涂层防腐蚀作用机制，为涂层技术的进步提供了理论依据和实验基础。.项目执行期间，本项目共发表相关论文8篇（SCI收录6篇）、撰写英文专著1章、申请发明专利3项，授权发明专利1项，会议口头报告5次，超额完成预期目标。