中国海洋大学《AFM》：耐候&自修复双突破！新型纳米纤维增强聚氨酯涂料应对海洋极端环境挑战

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。近日中国海洋大学陈守刚教授团队在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上发表聚氨酯防护涂层创新研究成果，题目为：Hierarchically Interface-Programmed Modified Polyurethane for Self-Healing and Weather-Resistant Protection。中国海洋大学材料科学与工程学院陈守刚教授、王巍教授、张玥教授为通讯作者，博士研究生曹琳为论文的第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金、山东省重大创新工程项目、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

研究成果聚焦海工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，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。研究成果为海工设施的潜在长效防护提供了工程化的解决方案！

文章链接：

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

研究亮点：

界面工程·稳定增强
在聚氨酯树脂基体方面，引入具有抗紫外能力的结构单元A300，合成高稳定性的抗氧化改性聚氨酯（GAPU）。结合PAN/CoMnNi-LDH纳米纤维形构筑“纤维增强相+柔韧基体”协同交叉网络，显著提升结构稳定性与力学性能，有效抑制界面裂纹扩展。

光热驱动·快速修复
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%！

耐老化·长效防护
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6.16×108Ω·cm2，远超常规聚氨酯防护涂层。

图1.a）PCMN-GAPU的制备示意图：a1）GAPU基质和氢键分布；a2）PAN/CoMnX-LDH NF和所得PCMN-GAPU复合涂层。b、c）PAN/CoMnNi-LDH NF的SEM图像；PCMN-GAPU的d）表面和e）横截面SEM图像。f, g）从25 °C加热到120 °C期间记录的PCMN-GAPU的温度依赖性FT-IR光谱和相关的2DCOS：h）同步和i）异步光谱（其中红色和蓝色分别定义为正强度和负强度）。

图2.a）GAPU和PCMN-GAPU涂层在1 kW·m−2辐照下的温度变化曲线及相应的红外热像；b）不同阳光密度下的循环光热转换性能；c）辐照下表面划痕的光学显微镜图像；d）光照下PCMN-GAPU自修复5分钟的红外光谱。e）原始、切割修复和10次循环修复的PCMN-GAPU的代表性应力-应变曲线。f）PCMN-GAPU自愈机制示意图；g）PCMN-GAPU与其他热响应自修复聚氨酯系统的机械性能和自修复能力的比较。

图3. a）PU、GAPU和PCMN-GAPU涂层的紫外可见透射光谱（插图：PCMN-GAPU紫外线屏蔽机理示意图），b）光泽值，c）不同涂层的失光率；紫外线老化后d1）PU和d2）PCMN-GAPU涂层的SEM图像。e）FTIR光谱，f）拉曼，g）PCMN-GAPU涂层在紫外老化前后的储能模量；h）紫外老化后涂层对碳钢的附着强度；PCMN-GAPU涂层（i1）在紫外线老化之前和（i2）之后的自修复行为。

图4. a）PU和GAPU的前沿分子轨道分布，以及b）静电式分布；c）PU和d）GAPU的自由体积分布；e, f）计算出的自由体积和总能量。

文章进一步通过FTIR、Raman、XPS、DMA、DFT、MD等多种表征手段，从微观结构到宏观性能系统阐释了以下多重协同机制：

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；纤维与基体间多重氢键协同增强界面稳定。

结语：

该耐候&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。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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