研究人员在自修复耐候聚氨酯防护涂层领域取得新进展

近日，中国海洋大学材料科学与工程学院陈守刚教授团队在国际知名学术期刊《Advanced Functional Materials》（先进功能材料）上发表聚氨酯防护涂层创新研究成果，创新研发出一种“分层界面编程”多功能聚氨酯涂层，集光热自愈、抗紫外老化、长效防腐三大功能于一体，为海洋工程、交通运输等领域的腐蚀防护带来革命性突破。

海军舰船、大型平台及岛礁设施长期处于高盐、高湿、高紫外和干湿交替的极端海洋环境中，摩擦损伤、疲劳老化和剥离失效是防腐涂层寿命缩减的主要因素，如何提高涂层材料的耐磨蚀、维持涂层强附着、降低海工设施的维护频率是保障海上通道安全与国防安全的技术关键。

论文聚焦海工装备防护广泛使用的聚氨酯材料，研发了一种具备分级结构的光热增强纳米纤维/聚氨酯复合涂层，创新构建出一种分级结构纳米纤维/PAN@CoMnNi-LDH增强的抗氧化聚氨酯（GAPU）复合涂层（图1）。该体系通过静电纺丝与多金属原位刻蚀诱导方法，获得表面负载层状双氢氧化物（LDH）纳米片的光热响应纳米纤维，并将其嵌入引入A300抗氧化单元的聚氨酯基体中，形成“功能纤维骨架+稳定聚合物基体”协同网络。该研究从分子设计到宏观性能构建了光热自修复+耐候增强的融合机制，突破传统“静态防腐”模式。借助界面工程设计与多尺度协同增强机制，实现了防腐涂层在光照作用下的快速自修复、耐磨蚀和长效耐候多重性能的耦合提升。

图1. 本研究中自修复耐候PCMN-GAPU涂层制备及结构示意图

研究通过原位多金属离子协同沉积+刻蚀工艺，构建出表面均匀负载层状双氢氧化物（LDH）纳米片的PAN/CoMnNi-LDH纳米纤维。该结构兼具宽谱光吸收与高热转换效率，仅需1 sun模拟日照条件，可在5分钟内修复划痕区域，拉伸强度恢复率高达98.3%（图2）。提供了快速高效的热传导路径，耐紫外加速老化能力显著提升，360小时紫外老化测试涂层光泽度损失仅为2.04%，断裂伸长率保持超500%，表现出卓越的耐候性。60天的电化学测试显示，其|Z|0.01Hz值高达6.16×108 Ω·cm2，远超常规聚氨酯防护涂层。

图2. PCMN-GAPU自修复表征

进一步结合FTIR、Raman、DMA、XPS、DFT计算与MD模拟等手段，从分子轨道能级、界面作用强度与链段运动行为等多维角度，系统揭示了其协同防护机理：光热增强，多金属掺杂的LDH提升了能带间迁移率与光吸收能力，在全波段均展现出高效热转换，激发热驱动链段运动。界面工程，PAN/CoMnNi-LDH纤维与GAPU基体间存在强氢键作用与良好相容性，有效抑制界面微裂纹扩展，提升抗疲劳性与修复响应效率。协同耐候，A300单元赋予GAPU主链优异的光稳定性，降低HOMO能级、抑制自由基生成与键断裂（图3）；纤维与基体间多重氢键协同增强界面稳定。

图3. 多尺度计算模拟结果

研发的耐候自修复防腐涂层由电子结构调控+分子链设计+界面网络构筑共同赋能，不仅保障了涂层在光热修复过程中的结构完整性，也支撑其在海洋高紫外、高盐雾、高湿度等复杂环境下实现长期、稳定的“全寿命周期防护”能力。这项研究不仅开发出一种高性能防护涂层，更展示了一种可扩展的多功能材料设计范式，通过分子修饰与纳米结构协同，实现了自愈、防腐、抗老化的有机统一。随着全球对基础设施耐久性要求的提高，这种“阳光自愈型”智能涂层有望在绿色维护、减少人工干预、延长服役寿命方面发挥重要作用，为海洋装备防护可持续发展提供材料支撑。

该工作得到了国家自然科学基金、山东省重大创新工程项目、山东省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。