CEJ：基于KH-570自组装的蜂巢结构聚酰亚胺涂层实现高性能耐腐蚀与耐磨性研究

发布者：日期：2025年11月02日 07:48 点击数：

研究背景

船舶推进系统、装甲车辆和工业机械等关键设备表面防护涂层，在机械磨损、腐蚀介质和长期环境暴露协同作用下面临性能退化，传统聚酰亚胺（PI）涂层虽具有优异的热稳定性和化学惰性，但其刚性分子结构易在局部机械冲击下产生裂纹，且树脂固化过程中的气体挥发会形成结构缺陷，为腐蚀介质的渗透提供通道，导致界面分层失效。尽管采用SiO₂、氮化硼、石墨烯等常规纳米填料增强PI的研究已有报道，但填料与基体间的极性不匹配易导致界面相容性差、填料聚集等问题，使涂层在韧性、耐磨性和防腐性能的协同提升方面面临挑战，往往需要复杂的表面功能化策略来改善界面性能。

创新点

通过湿度调控的KH570水解和高温自组装，构建了具有分级蜂巢结构的聚酰亚胺复合涂层，并引入Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片实现界面增韧。不同于传统将KH570仅作为界面改性剂或交联剂的思路，本研究首次发掘了其双重功能协同机制：一方面，KH570在热酰亚胺化过程中通过动态自组装形成单分散微球，作为有序蜂巢网络的结构单元，其曲折孔道可延长腐蚀介质扩散路径，微球在摩擦中通过“滚动-滑动”协同效应提升耐磨性；另一方面，KH570的甲基丙烯酸酯端与PAA链发生迈克尔加成反应形成共价键，消除了无机-有机界面能垒。为进一步解决蜂巢结构脆性难题，引入Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片，其表面官能团（-F、-O、-OH）与PI链通过氢键和范德华力作用实现界面增韧，同时利用MXene的层间滑移特性在摩擦界面形成润滑膜。该多尺度设计使得KMX-PI涂层在保持蜂巢结构优势的同时，显著提升硬度和杨氏模量，并在4周浸泡后仍保持高阻抗模量和低磨损率，实现了力学强度与环境耐受性的统一。

图文速览

图1 (a)聚酰胺酸（PAA）与聚酰亚胺（PI）合成路线(b)功能化Ti₃C₂Tₓ（f-Ti₃C₂Tₓ）制备流程示意图(c)KH-PI材料制备过程示意图

图2 (a)Ti₃C₂TₓMXene纳米片的SEM图像；(b)XRD图谱；(c)Ti₃C₂TₓMXene的FTIR光谱；(d)高分辨率C1s、(e)O1s和(f)Ti2pXPS谱图

图3 (a)聚酰胺酸（PAA）与聚酰亚胺（PI）的FTIR光谱；(b)PI的XRD图谱与(c)XPS全谱；(d)PI的C1s、(e)O1s及(f)N1sXPS精细谱

图4 KH-PI复合涂层在不同质量分数下的截面图：(a₁-a₃)10%、(b₁-b₃)25%、(c₁-c₃)75%和(d₁-d₃)100%

图5 50wt%KH-PI复合涂层在不同温度下的截面形貌：(a₁-a₃)50°C,(b₁-b₃)100°C,(c₁-c₃)150°C,(d₁-d₃)200°C，以及对应的局部放大图像和相应区域的EDS能谱分析结果

图6 (a)300°C下50wt%KH-PI复合涂层的截面形貌（插图为局部放大图）；(b)与(a)中局部放大区域对应的EDS能谱分析结果；(c)天然蜂巢结构；(d)PAA/KH570分子模型；(e)PAA/PAA分子模型；(f)PAA/KH570与PAA/PAA之间的界面相互作用能；(g)KH570单体的初始模型及其在300K、400K、500K和600K温度下的分解模型