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中国海洋大学王巍&陈守刚:具有自警告和自愈功能的智能纳米纤维涂层的合成

学术动态    2022-06-29 15:15

DOI: 10.1021/acsami.2c05048

 

有机防护涂层广泛用于保护金属结构免受腐蚀,但它们容易遭受无法检测的损坏。如果不及时发现和修复,可能会导致严重的后果。然而,如何同时自动地对受损区域进行预警和修复已成为一个极具挑战性的问题。在此,研究者报告了一种具有自我警告和自我修复功能的智能防护涂层。这一策略是通过在有机涂层中嵌入含有1,10-菲咯啉(Phen)的双功能纳米纤维来实现的。采用同轴静电纺丝法合成了以Phen为核、以聚乙烯醇(PVA)-壳聚糖(CS)共混溶液为壳的纳米纤维。PVA/CS@Phen纳米纤维包埋涂层显示出对涂层损伤区域的自修复和高对比度指示功能。突出的红色可以警告微观损伤和宏观表面损伤,这些损伤迅速发生并永久愈合。智能涂层对人工损伤表现出较高的愈合性能,具有自我预警的特性,在没有外部干预的情况下治愈率约为98.4%。在愈合过程中,纳米纤维壳中CS的游离氨基增强了Phen的持续释放。这种方便、经济、高效的策略具有自警告和自愈的协同功能,为延长防护涂层的使用寿命提供了有效的解决方案。总体而言,这种多功能涂料在海洋工程领域表现出巨大的潜力。

 

图1.(a)PVA/CS@Phen纳米纤维膜的制备示意图。不同加工参数下PVA/CS@Phen核壳纳米纤维形态的SEM图像(b,d)以及不同加工参数下PVA/CS@Phen纳米纤维形态的TEM图像(c,e)。

 

图2.PVA、CS、Phen和PVA/CS@Phen纳米纤维的FTIR曲线。

 

图3.PVA、CS、Phen和PVA/CS@Phen纳米纤维的TGA曲线。

 

图4.不同样品的典型应力-应变曲线:(a)空白环氧树脂涂层以及(b-d)分别含有30、60和90%PVA/CS@Phen纳米纤维的复合涂层。

 

图5.涂有(a,b)PVA/CS@Phen纳米纤维复合涂层和(d,e)空白环氧树脂涂层的钢板在海水中浸泡12小时前后的照片。(c)PVA/CS@Phen纳米纤维复合涂层和(f)空白环氧树脂涂层在海水中浸泡12小时后的显微照片。

 

图6.(a)在海水中浸泡12h后划线区域的SEM图像和(b-f)EDS分析。

 

图7.(a)划痕涂层在海水中浸泡12小时前后的光学显微照片。(b)浸泡12小时后,不同波长下划痕的FTIR光谱。

 

图8.(a)划痕空白涂层和(b)划痕PVA/CS@Phen纳米纤维复合涂层在海水中的电化学性能。奈奎斯特谱(a1,b1),波特图(a2,b2)和(a3,b3)。

 

图9.(a)划痕空白环氧树脂涂层和PVA/CS@Phen纳米纤维复合涂层在海水中于0.01Hz下的阻抗模量。(b)PVA/CS@Phen纳米纤维复合涂层在海水中的等效电路模型。

 

图10.PVA/CS@Phen纳米纤维复合涂层的自警告和自修复协同过程示意图。