清华大学:耐高温、耐腐蚀性透明聚脲涂层
2026-07-02 15:34:17 作者:涂料驿站 来源:涂料驿站 分享至:

 金属作为工程材料的重要性不言而喻,但其长期可靠性受到腐蚀的严重影响,尤其是在含盐量高的海洋环境中。聚合物涂层(如环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂)是保护金属免受腐蚀的有效方法之一,因其可以阻止水分、氧气和腐蚀性介质直接接触金属表面,并形成绝缘层以抑制离子电流的迁移。然而,在极端的工作环境下(如热带海洋环境、高功率机械),持续的高温可能加速聚合物涂层的老化或损伤,从而大幅缩短设备的使用寿命。因此,开发具有耐高温、耐盐腐蚀性能的聚合物涂层对工业防护领域具有重要意义。

在众多涂层材料中,聚氨酯/脲(PU)涂层因其优异的机械性能、耐候性、湿气候下的适用性以及成本可控性,在多个领域广受欢迎。然而,PU的化学结构中存在一些易受攻击的官能团,使其难以承受长期的高温空气暴露。例如,当PU中使用聚醚链段作为软段时,醚键在高温下容易被氧气氧化断裂,引发自由基链反应,导致聚醚链段发生热氧化降解。在聚酯软段中,酯基容易受到水分子诱导发生亲核取代反应,导致水解失效,并且在高温下这种水解速率会加速。同时,氨基甲酸酯/脲键具有动态共价键的特性,在高温下会发生解离与交换反应,并伴随副反应,从而引发网络拓扑结构的重构和模量衰减。在传统耐高温聚合物的设计策略中,通常通过强化分子骨架(如芳香族聚酰亚胺中的芳香环结构)、构建高度交联网络以及抑制热分解(如封端和无机复合)来提高热稳定性。然而,受限于PU涂层体系的反应机制和化学结构,这些策略往往难以直接应用于传统的PU涂层。尽管它们的基本原理可以借鉴,但要实现PU涂层的高热稳定性,设计新型化学结构仍是必不可少的。

另一方面,传统的纯PU涂层在耐盐腐蚀方面存在局限性。例如,初始粘附力不足或热老化过程中粘附性能下降可能导致界面缺陷,从而形成腐蚀性介质渗透的通道。这会导致涂层局部起泡,降低保护性能和使用寿命。近年来,研究人员通过引入聚二甲基硅氧烷(PDMS)链段和采用复合填充策略,有效提高了涂层的耐盐腐蚀性能。为了提高耐盐雾性能,已探索了掺入PDMS或复合填充等方法,但这些方法往往会带来刚性降低、透明度下降以及加工工艺更复杂等问题,不利于实现洁净、适用于工业生产的保护涂层。因此,在纯聚合物体系体系框架内,如何通过简单的制备工艺提高涂层的耐盐腐蚀性能仍是一个亟待解决的挑战。

近期,清华大学徐军/史家昕团队采用热触发从弱到强的键合转换策略,成功制备了一种具有耐高温、强附着力、耐盐雾性能的无填料、透明、高性能聚脲涂层

以商用聚天冬氨酸酯(PAEs)和聚异氰酸酯三聚体为原料,通过双组分混合工艺制得PAPU涂层。

所制得的涂层在200°C下经过72小时后,仍能保持优异的机械性能(拉伸强度>50MPa,杨氏模量1.2-1.4GPa),玻璃化转变温度(Tg)从48°C提高至118°C。该涂层对常见金属基材具有优异的附着力,在钢上的搭接剪切强度高达26.1MPa,超过大多数高性能粘合剂。该涂层具有优异的耐盐雾性能,其低频阻抗模量(|Z|0.01Hz)高达4.67×1011Ω·cm2,经过4周盐雾测试后,其低频阻抗模量(|Z|0.01Hz)仅略有下降至4.29×1011Ω·cm2,优于之前报道的硅基和复合涂层,

本研究这种“弱到强”机制为高性能聚合物材料提供了一种多功能策略,可用于制备自增强、耐热和防腐聚合物涂层,为极端环境材料提供了一种通用的设计原则,在设备防腐领域具有广阔的应用前景。



示意图













高温耐腐蚀聚脲涂层的制备、机理及性能示意图。


数据来源与出处


 

相关研究成果以“Constructing Self-Strengthening High-Temperature and Corrosion-Resistant Polyurea Coatings via Weak-To-Strong Bond Conversion”为标题发表在《Advanced Functional Materials》上。

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