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海洋工程领域金属的腐蚀现象不仅造成了巨大的资源浪费，还会带来环境污染、安全隐患等一系列问题。涂层防护作为物理屏蔽，具有简单易行、价格低廉的特点，是最有效的材料防护手段之一。然而，涂层在服役过程中不可避免地会产生破损和开裂，造成防腐性能和使用寿命的显著下降。特别是在靠近水线作业的设备，容易受到海浪的冲击而损坏。此外，水线附近有充足的阳光和氧气，大量微生物附着，产生生物污损。受大自然的启发，在合成材料中引入自修复特性，将大大提高材料的使用寿命，降低维护成本。涂层使用光热填料不仅可以提高自修复效率，而且具有多循环修复和靶向快速修复的优点，具有广泛的应用前景。基于上述论述，中国海洋大学材料科学与工程学院陈守刚教授团队致力于新型光热自修复涂层的开发，利用分子动力学等手段设计本征自修复涂层，通过缺陷调控、表界面优化等手段合成化学稳定性高、光热转换效率高的光热填料，全面客观地评估复配涂层体系的的光热自修复机制。 相关研究成果近期发表在国际材料领域一流学术期刊Journal
of Materials Science & Technology (2023, 133,
89-101)上，题目为“Preparation of dynamic polyurethane
networks with UV-triggered photothermal self-healing properties based on
hydrogen and ion bonds for antibacterial applications”。本研究通过调控异氰酸酯比例采用一锅缩聚法合成了基于氢键和离子键的紫外光响应自修复聚氨酯杂化网络，其中以二甲基乙二肟（DMG）作为扩链剂，Cu掺杂ZnO（Cu-ZnO）作为光热剂。DMG作为扩链剂含有肟基团其中氮原子可以与Cu-ZnO螯合形成金属配位键，促进动态自修复涂层的构建。Cu掺杂能够增加ZnO的空位缺陷，增强ZnO的光吸收范围和抑制光生载流子的复合，通过提高光热材料的光热效应提升聚氨酯的自修复效率。总之，本工作有机-无机的复合方法为光热响应自修复涂层的设计提供了启发性的策略。 论文链接： https://www./science/article/pii/S100503022200559X
为了进一步拓宽光的吸收波长和光热转换效率，我们对光热材料进行进一步设计升级，相关研究成果近期发表在国际材料领域一流学术期刊Journal
of Materials Science & Technology (2024,
173, 121-136)上，题目为“High efficiency photothermal cyclic
self-healing antibacterial coating based on in-situ dual-functional BiOI@Bi2S3”，本研究提出了一种基于Kirkendall效应在BiOI表面原位生成Bi2S3来构建异质结的方法。将BiOI@Bi2S3引入到聚氨酯弹性体中，构建近红外光响应自修复抗菌涂层。BiOI@Bi2S3异质结的界面结构提高了光生电子-空穴对的界面传输效率，BiOI@Bi2S3的光热转化效率提高了35%，密度泛函理论模拟验证了界面调控的光热响应机理。力学拉伸试验结果显示BiOI@Bi2S3/PU在近红外激光照射下20
min内的修复效率可以达到97.5%，分子动力学理论验证了涂层光热效果对自修复效率的影响机制。研究表明优化光热材料结构是改善自修复涂层效率的一个重要方法，探索光热材料的组分和结构对自修复涂层的可控构筑具有重要意义。 论文第一作者是中国海洋大学博士研究生冯荟蒙，通讯作者为中国海洋大学陈守刚教授。该项工作得到了国家自然科学基金山东联合基金重点、国家自然科学基金面上项目和中央高校基本科研业务费的支持。 论文链接： https://www./science/article/pii/S1005030223006941
图1
Cu-ZnO复合涂层的合成过程和自修复机理
图2 Cu-ZnO光热材料特性
图3 分子动力学模拟自修复机制
图4 Cu-ZnO复合涂层的自修复效果
图5BiOI@Bi2S3复合涂层的设计思路
图6 BiOI@Bi2S3复合涂层的光热特性
图7
BiOI@Bi2S3材料密度泛函模拟
图8 BiOI@Bi2S3复合涂层修复效率 *感谢论文作者团队对本文的大力支持。 |
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