随着工业发展的进步,材料在实际应用中面临的腐蚀和结冰问题愈发严重,尤其是在船舶、化学工程和基础设施建设等领域。这些现象不仅造成了巨大的经济损失,还带来了严重的安全隐患,威胁到环境的完整性和人类的健康。腐蚀防护的主要技术包括涂层防护、表面改性、电化学防护和金属涂层应用。在各种防腐技术中,超疏水涂层因其独特的表面特性而备受关注。超疏水状态通常用Cassie-Baxter模型来描述,其特征是高水接触角(WCA>150°)和低滚动角(SA<10°)。这些特性使水滴能够轻易滚落,从而有效防止腐蚀介质与金属基材接触。此外,超疏水表面在自清洁、防污、减阻和防冰等领域展现出额外的功能和广阔的应用潜力。
超疏水表面的构建关键在于实现适当的微/纳米粗糙度,并结合低表面能材料,这些材料能促进液相和固相之间形成持久的空气层,从而有效减少它们之间的相互作用。超疏水表面的制备主要依赖于在低表面能基材上构建粗糙结构或使用低表面能材料对表面进行改性。目前已经开发了多种策略,包括溶胶-凝胶法、阳极氧化法、电沉积法、气相沉积法、静电纺丝法、化学蚀刻法和喷涂法。然而,这些技术通常涉及高昂的设备需求、复杂的工艺步骤和昂贵的成本。此外,超疏水涂层在实际应用中经常遇到挑战,如机械稳定性差和化学耐久性不足,这限制了它们的大规模应用。因此,开发具有优异机械强度、化学稳定性和易于制备的超疏水涂层已成为一个关键的研究重点。
近年来,金属-有机框架(MOFs)因其独特的多孔结构、较大的比表面积和可调节的表面官能团,在气体分离、催化、氢气储存和耐腐蚀等领域展现出巨大的潜力。尽管基于MOFs的涂层已展现出优异的耐腐蚀性,但其潜在的耐腐蚀机制仍需要深入研究。特别是,微观模拟与宏观实验相结合,为阐明表面拓扑结构、化学成分和界面能之间的协同调节机制提供了一种可行的方法,从而系统地揭示了超疏水涂层耐腐蚀性的内在机理。
近期,天津大学赵颂团队采用多层喷涂工艺,成功制备了一种多功能超疏水复合涂层。
通过分子设计合成氟化UIO-66(UIO-66-F)纳米颗粒,然后通过多层喷涂工艺与环氧树脂(EP)相结合,制得UiO-66-F/EP复合涂层。 所制备的涂层在多种表面(包括Q235钢和陶瓷)上具有优异的附着力和基材普适性。该涂层表现出卓越的耐腐蚀性、显著的防冰能力、优异的自清洁性能和强大的机械强度。该涂层具有优异的超疏水性,水接触角为165°,并且在3.5wt% NaCl溶液中浸泡60天后仍能保持稳定的防护性能,其低频阻抗模量仍比未涂覆涂层的Q235钢高出约7个数量级。该涂层还具有优异的耐磨性和耐久性。此外,基于分子动力学模拟和表面能理论分析,从低表面能特性和微/纳米分级结构两方面系统阐述了其保护机理。 本研究为开发高性能防护涂层提供了理论见解和技术途径,在海洋工程、化工设施和基础设施等恶劣环境中展现出广阔的应用潜力,推动了超疏水涂层朝着多功能性和长期可靠性的方向发展。 合成过程 UIO-66-F纳米颗粒的合成过程与微观结构演变。 涂层制备示意图 (A)UIO-66-F/EP复合涂层制备过程的示意图;(B-D)Q235钢、EP涂层和UIO-66-F/EP复合涂层的数字照片(左)和SEM图像(右);(E-G)Q235 钢、EP涂层和UIO-66-F/EP复合涂层的AFM图像。 数据来源与出处 相关研究成果以“Superhydrophobic Coatings with Perfluorinated Metal–Organic Frameworks for Enhanced Corrosion Resistance”为标题发表在《small》上。
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