经过氟硅烷改性的MIL-53(Al)材料，具有更强的疏水性，适用于文物保护领域

水基环氧涂层P-S-IEC通过原位聚合聚苯胺-硅 carbide复合材料实现阻燃与防腐协同，1200°C火焰下120分钟保持结构完整，背温289°C，电化学测试显示其在3.5% NaCl溶液中浸泡20天仍维持高电荷转移电阻。该涂层通过三维碳层形成和电化学钝化协同作用，解决了传统分层涂层的剥离问题，为工业设备提供长效保护。

作者：金一杰、詹胜鹏、陈敖、杨天、余洋、黄静琦、贾丹、段海涛

中国机械科学研究研究院特种材料表面工程国家重点实验室，武汉材料防护研究所，武汉，430030，中国

摘要

本研究介绍了一种创新的水性膨胀型环氧涂层（P-S-IEC），该涂层通过原位聚合聚苯胺-碳化硅（PANI-SiC）杂化物进行增强，同时实现了阻燃和防腐蚀的双重功能。PANI-SiC杂化物通过化学接枝方式结合了SiC纳米片的热绝缘性能和PANI的钝化及成炭能力。大规模燃烧测试表明，P-S-IEC涂层在暴露于1200°C火焰120分钟后仍保持结构完整性，其背面温度仅为289°C，远优于仅含PANI或SiC的对照涂层。电化学分析进一步证实了其优异的耐腐蚀性：在3.5% NaCl溶液中浸泡20天后，其电荷转移电阻（Rct）仍高达7.43×10⁷ Ω·cm²，腐蚀电流密度仅为2.23×10⁻⁸ A/cm²。P-S-IEC涂层的增强阻燃性能归因于SiC提供的热绝缘效果以及PANI形成的膨胀炭层，这两者共同形成了一个微观孔隙率较低的三维碳层。在防腐蚀方面，涂层得益于SiC的迂回扩散路径对离子渗透的阻碍作用，以及PANI对钢基底的电化学钝化作用。本研究为开发集被动防护和主动防护机制于一体的多功能涂层提供了可扩展的方法，有效解决了确保各种工业应用中结构消防安全和长期耐腐蚀性的关键问题。

引言

金属材料因其高强度、轻质和良好的抗震性能，在电力、化工和建筑等行业中发挥着不可或缺的作用。虽然钢材本身不可燃，但其机械性能（如屈服强度和弹性模量）在高温下会显著下降，大约在600°C时会导致结构失效¹。为了解决这一问题，阻燃涂层已成为必要的防护措施。传统做法是对钢结构依次施加防腐涂层和阻燃涂层²。然而，这种分层系统存在关键缺陷：在火灾条件下，阻燃涂层下的热不稳定防腐层容易分层，从而影响结构完整性和人员疏散时间³、⁴、⁵、⁶。因此，亟需开发能够同时提供持久防腐蚀和增强防火性能的集成涂层⁷、⁸、⁹、¹⁰、¹¹。

二维材料的最新进展表明，碳化硅（SiC）是一种具有革命性的热屏障和化学屏障材料。SiC卓越的热稳定性（分解温度超过1600°C）及其迂回的扩散路径有效阻断了热传导和腐蚀介质的渗透¹²、¹³。Yu¹⁴制备了含有原位生长SiC晶须的阻燃材料，并与膨胀石墨结合使用，显著提高了材料的防火性能指数和阻燃性。Wang¹⁵利用碳化硅、多巴胺和石墨烯制备了耐热材料，并证明SiC的优异防火性能增强了复合材料的阻燃效果。碳化硅涂层¹⁶及其有机复合涂层¹⁷能有效阻止腐蚀介质的垂直渗透，从而增强复合涂层的防护效果。然而，这种单一的被动防护机制无法长期有效阻挡腐蚀介质的渗透和火焰的传播。因此，引入能够对基底进行钝化以主动防止腐蚀并具有阻燃效果的功能性填料是必要的。这样不仅可以大幅降低金属腐蚀的可能性，还能显著提高涂层的防火性能¹⁸。然而，纯粹的被动防护机制无法完全阻止长期腐蚀的发生或提供有效的火焰抑制。

这一挑战促使人们将聚苯胺（PANI）引入涂层设计中，PANI是一种兼具防腐蚀和阻燃双重功能的共轭聚合物。PANI富含氮的芳香结构能够（1）通过氧化还原反应在金属基底表面形成钝化层，（2）在燃烧过程中产生膨胀炭层并释放不可燃气体¹⁹、²⁰。Li²¹通过原位插层聚合将高掺杂态的PANI均匀锚定在TiC MXene纳米片表面，结果表明TiC MXene纳米片的屏障作用与PANI的钝化作用相结合，使得TiC MXene@PANI复合水性环氧（WEP）涂层对Q235钢具有优异的防腐蚀效果。我们的团队²²、²³制备了聚苯胺及其共聚物涂层，并研究了其在盐酸环境中的耐腐蚀性，发现导电聚合物涂层（尤其是聚苯胺）能有效提高涂层的电荷转移电阻并降低腐蚀电流，从而为基底提供良好的保护作用。Payam²⁴系统综述了PANI作为一种含氮芳香链结构，是一种潜在的阻燃聚合物，其在燃烧过程中会形成炭层并释放不可燃气体，表现出良好的热稳定性和低放热速率²⁵。

在本研究中，制备了原位聚合的聚苯胺-碳化硅杂化物（PANI-SiC），并将其用于构建具有持久防腐蚀和阻燃性能的环氧涂层，实现了被动隔热和防腐蚀、主动钝化以及温度降低的多重功能。PANI被接枝到SiC纳米片上，形成了（1）防止热/腐蚀传播的分层屏障，（2）电化学钝化网络，以及（3）膨胀阻燃路径。这种设计理念通过化学整合被动和主动防护机制，克服了传统涂层的局限性。该涂层在3.5% NaCl溶液中浸泡20天后仍保持理想的防护性能（电荷转移电阻为7.43×10⁷ Ω·cm²）。此外，即使在长时间燃烧后，涂层仍具有优异的热绝缘性能，背面温度仅为289°C。有机-无机材料的完美结合实现了多功能性的整合，为开发集成涂层材料开辟了新的思路。此外，该技术还能为关键场所提供长期的防腐蚀和关键时期的防火保护，有效争取救援时间并减少人员伤亡。

材料

盐酸（HCl，AR）和过硫酸铵（APS，AR）购自中国药化试剂有限公司。苯胺（ANI，AR）购自阿拉丁试剂（上海）有限公司。聚磷酸铵（APP，AR）、三聚氰胺（MEL，≥99.0% wt）和季戊四醇（PER，AR）购自杭州捷尔思阻燃化工有限公司。水性环氧树脂及其固化剂购自佛山高明同德化工有限公司。碳化硅（SiC，AR）纳米片

PANI-SiC杂化物的表征

采用FTIR分析研究了PANI、SiC和PANI-SiC杂化物表面的官能团，如图2a所示。可以看出，聚苯胺在1506 cm⁻¹和1301 cm⁻¹处的峰分别与C=C和C-N伸缩振动相关²¹、²⁷，这证实了PANI在原位聚合过程中以埃马尔丁盐（ES）状态合成并通过HCl protonated²⁸、²⁹。对于SiC样品的谱图，830 cm⁻¹处的两个峰

结论

总结来说，通过将聚苯胺-碳化硅杂化物引入膨胀型环氧涂层中，开发出了一种简单可靠的集成策略，实现了阻燃和防腐蚀的双重功能。结果表明，P-S-IEC涂层在1200°C火焰中形成了稳定的膨胀炭层并具有优异的热绝缘性能。燃烧120分钟后，其背面温度为289°C，低于

作者贡献声明

金一杰：方法学研究、初稿撰写、审稿与编辑、实验设计、数据分析、数据管理。詹胜鹏：审稿与编辑、验证、数据分析、数据分析。陈敖：撰写与编辑、验证、方法学研究。杨天：方法学研究、数据分析。余洋：概念设计、方法学研究。黄静琦：概念设计、方法学研究。贾丹：撰写与编辑、监督工作、软件使用、资源协调、项目管理。段海涛：

作者信息

通讯作者：

贾丹—中国机械科学研究研究院特种材料表面工程国家重点实验室，武汉材料防护研究所，武汉，430030；orcid.org/0009-0001-1787-6784。

电子邮件：[e-mail]

段海涛—中国机械科学研究研究院特种材料表面工程国家重点实验室，武汉材料防护研究所，武汉，430030。

电子邮件：[e-mail]

作者列表

金一杰—中国机械科学研究研究院特种

作者贡献声明

金一杰：方法学研究、初稿撰写、审稿与编辑、实验设计、数据分析。詹胜鹏：审稿与编辑、验证、数据分析。陈敖：撰写与编辑、验证、方法学研究。杨天：方法学研究、数据分析。余洋：概念设计、方法学研究。黄静琦：概念设计、方法学研究。贾丹：撰写与编辑、监督工作、软件使用、资源协调、项目管理。段海涛：

数据可用性

数据可应要求提供。

作者贡献声明

金一杰：撰写与编辑、初稿撰写、项目管理、数据分析。詹胜鹏：方法学研究、数据分析。陈敖：数据可视化、软件使用、实验设计。杨天：数据可视化、方法学研究。余洋：初稿撰写、数据可视化、资源协调、数据分析。黄静琦：验证、方法学研究、实验设计。贾丹：撰写与编辑、初稿撰写、资源协调、数据分析。

利益冲突声明

作者声明与本研究、作者身份及/或文章发表无关的潜在利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52205213, 52575246）、湖北省重大专项（2023BAA003）以及国家自然科学基金（52375200）的支持。