中國海洋大學《AFM》：耐候&自修復雙突破！新型納米纖維增強聚氨酯涂料應對海洋極端環境挑戰

海軍艦船、大型平臺及島礁設施長期處于高鹽、高濕、高紫外和干濕交替的極端海洋環境中，摩擦損傷、疲勞老化和剝離失效是防腐涂層壽命縮減的主要因素，如何提高涂層材料的耐磨蝕、維持涂層強附著、降低海工設施的維護頻率是保障海上通道安全與國防安全的技術關鍵。近日中國海洋大學陳守剛教授團隊在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》上發表聚氨酯防護涂層創新研究成果，題目為：Hierarchically Interface-Programmed Modified Polyurethane for Self-Healing and Weather-Resistant Protection。中國海洋大學材料科學與工程學院陳守剛教授、王巍教授、張玥教授為通訊作者，博士研究生曹琳為論文的第一作者。研究工作得到了國家自然科學基金、山東省重大創新工程項目、中央高校基本科研業務費專項資金等項目的資助。

研究成果聚焦海工廣泛使用的聚氨酯材料，研發了一種具備分級結構的光熱增強納米纖維/聚氨酯復合涂層，該研究從分子設計到宏觀性能構建了光熱自修復+耐候增強的融合機制，突破傳統“靜態防腐”模式。借助界面工程設計與多尺度協同增強機制，實現了防腐涂層在光照作用下的快速自修復、耐磨蝕和長效耐候多重性能的耦合提升。研究成果為海工設施的潛在長效防護提供了工程化的解決方案！

文章鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202525713

研究亮點：

界面工程·穩定增強
在聚氨酯樹脂基體方面，引入具有抗紫外能力的結構單元A300，合成高穩定性的抗氧化改性聚氨酯（GAPU）。結合PAN/CoMnNi-LDH納米纖維形構筑“纖維增強相+柔韌基體”協同交叉網絡，顯著提升結構穩定性與力學性能，有效抑制界面裂紋擴展。

光熱驅動·快速修復
研究通過原位多金屬離子協同沉積+刻蝕工藝，構建出表面均勻負載層狀雙氫氧化物（LDH）納米片的PAN/CoMnNi-LDH納米纖維。該結構兼具寬譜光吸收與高熱轉換效率，僅需1 sun模擬日照條件，可在5分鐘內修復劃痕區域，拉伸強度恢復率高達98.3%！

耐老化·長效防護
提供了快速高效的熱傳導路徑，耐紫外加速老化能力顯著提升，360小時紫外老化測試涂層光澤度損失僅為2.04%，斷裂伸長率保持超500%，表現出卓越的耐候性。60天的電化學測試顯示，其|Z|0.01Hz值高達6.16×108Ω·cm2，遠超常規聚氨酯防護涂層。

圖1.a）PCMN-GAPU的制備示意圖：a1）GAPU基質和氫鍵分布；a2）PAN/CoMnX-LDH NF和所得PCMN-GAPU復合涂層。b、c）PAN/CoMnNi-LDH NF的SEM圖像；PCMN-GAPU的d）表面和e）橫截面SEM圖像。f, g）從25 °C加熱到120 °C期間記錄的PCMN-GAPU的溫度依賴性FT-IR光譜和相關的2DCOS：h）同步和i）異步光譜（其中紅色和藍色分別定義為正強度和負強度）。

圖2.a）GAPU和PCMN-GAPU涂層在1 kW·m?2輻照下的溫度變化曲線及相應的紅外熱像；b）不同陽光密度下的循環光熱轉換性能；c）輻照下表面劃痕的光學顯微鏡圖像；d）光照下PCMN-GAPU自修復5分鐘的紅外光譜。e）原始、切割修復和10次循環修復的PCMN-GAPU的代表性應力-應變曲線。f）PCMN-GAPU自愈機制示意圖；g）PCMN-GAPU與其他熱響應自修復聚氨酯系統的機械性能和自修復能力的比較。

圖3. a）PU、GAPU和PCMN-GAPU涂層的紫外可見透射光譜（插圖：PCMN-GAPU紫外線屏蔽機理示意圖），b）光澤值，c）不同涂層的失光率；紫外線老化后d1）PU和d2）PCMN-GAPU涂層的SEM圖像。e）FTIR光譜，f）拉曼，g）PCMN-GAPU涂層在紫外老化前后的儲能模量；h）紫外老化后涂層對碳鋼的附著強度；PCMN-GAPU涂層（i1）在紫外線老化之前和（i2）之后的自修復行為。

圖4. a）PU和GAPU的前沿分子軌道分布，以及b）靜電式分布；c）PU和d）GAPU的自由體積分布；e, f）計算出的自由體積和總能量。

文章進一步通過FTIR、Raman、XPS、DMA、DFT、MD等多種表征手段，從微觀結構到宏觀性能系統闡釋了以下多重協同機制：

光熱增強：多金屬摻雜的LDH提升了能帶間遷移率與光吸收能力，在全波段均展現出高效熱轉換，激發熱驅動鏈段運動。

界面工程：PAN/CoMnNi-LDH纖維與GAPU基體間存在強氫鍵作用與良好相容性，有效抑制界面微裂紋擴展，提升抗疲勞性與修復響應效率。

協同耐候：A300單元賦予GAPU主鏈優異的光穩定性，降低HOMO能級、抑制自由基生成與鍵斷裂；纖維與基體間多重氫鍵協同增強界面穩定。

結語：

該耐候&自修復防腐涂層由電子結構調控+分子鏈設計+界面網絡構筑共同賦能，不僅保障了涂層在光熱修復過程中的結構完整性，也支撐其在海洋高紫外、高鹽霧、高濕度等復雜環境下實現長期、穩定的“全壽命周期防護”能力。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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