含自愈核壳纳米纤维且耐腐蚀环境的三明治涂层体系的结构研究

金属为何需要帮助才能防锈

桥梁、船舶、管道和储罐都依赖类似油漆的薄层涂层来防止钢材生锈。但一旦这些涂层被划伤或开裂，含盐水和氧气就能渗入，开始代价高昂且有时危险的腐蚀过程。本研究探讨了一种新型“智能”保护涂层，它能感知损伤并自动自愈，帮助金属结构延长使用寿命并减少维护。

为钢材设计的三明治屏障

研究团队为低碳钢设计了一种三层“三明治”涂层。上下两层基于一种常见的环氧油漆，能很好地附着于金属。他们在这种油漆中掺入了改性氧化石墨烯的超薄片，像重叠的板片一样使水和离子更难穿透到钢材表面。在这两层之间添加了一层薄的中间层，由特殊纤维构成。每根纤维具有软性的液体芯和固体壳，形成无数隐藏在涂层内的微小自愈物质贮库。

储存自愈液的小纤维

为制备这些纤维，团队使用了一种称为同轴静电纺丝的技术，将两种液体拉伸成长的核壳细丝。壳层由亲水的聚乙烯醇制成，芯层则装有可流入损伤处并形成保护膜的硅油基液体（PDMS）。通过改变壳层溶液的浓度（7%、10% 或 15%），他们控制了纤维的厚度以及每根纤维能携带的自愈液量。显微图像证实纤维具有清晰的核壳结构，且较高的壳层浓度产生了更厚、更均匀分布并装载更多自愈剂的纤维。

自愈涂层的工作原理

当涂层钢材置于盐溶液中时，水和腐蚀性离子会缓慢尝试穿过上层的环氧–氧化石墨烯层。如果它们到达中间纤维层，水会开始溶解纤维的外壳，释放出内部的硅酮液体，该液体渗入裂缝和孔隙并沿着受损通道蔓延。与此同时，体系中的硅烷基团与水和周围的环氧发生反应，形成新的硅氧键，收紧聚合物网络并形成致密的耐水屏障，阻止进一步的侵蚀。

将智能涂层付诸考验

为评估涂层性能，作者在盐水和盐雾箱中对完整样板以及故意刮伤至露出金属的样板进行了长期耐蚀测试。他们使用电化学测量追踪电流通过涂层的难易程度——这是涂层仍然保护钢材能力的强有力指标。具有更结实纤维（15% 壳溶液制备）的涂层表现出最高的电阻，并在近五个月浸泡期内保持该保护性能。即使在被划伤的情况下，这些涂层也能在大约一天内恢复大部分屏障强度，因为释放的液体填充了划口并减缓了进一步生锈。对划痕区域在480小时盐雾后进行的显微成像显示，最佳配方几乎完全闭合，腐蚀产物很少。

纤维设计为何重要

对三种纤维配方的比较揭示了清晰的规律。较薄且含自愈液较少的纤维（7% 壳）仅能提供有限修复，划痕处的锈蚀扩展更快。中等厚度的纤维（10% 壳）有所改善但随时间仍允许更多损伤。最厚且堆积最密的网络（15% 壳）提供了最多的自愈液和最连续的覆盖，带来最慢的腐蚀速率、电化学行为变化最小以及成像和化学分析中划痕区域最清洁的结果。这表明不仅自愈贮库的存在重要，其数量和分布同样强烈影响涂层自修复的效果。

对现实结构的意义

对非专业读者来说，主要信息是：现在可以制造出不仅被动覆盖表面的保护涂料——它们在受损时还能主动响应。通过将形成屏障的氧化石墨烯填充环氧与隐藏的充液纤维层结合，这项工作展示了一种能够闭合划痕并在恶劣含盐环境中长时间维持高耐腐蚀性的涂层。尽管关于长期耐久性和大规模制造仍有疑问，此类自愈三明治涂层未来有望帮助船舶、桥梁和工业设施更安全地运行更长时间，并减少昂贵的维修次数。

引用: Madani, S.M., Sangpour, P., Vaezi, M.R. et al. Structural investigations of sandwich coating system containing self-healing core–shell nanofibers resistant to corrosive environment. Sci Rep 16, 9361 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39735-6

关键词: 自愈涂层, 腐蚀防护, 氧化石墨烯环氧, 核壳纳米纤维, 智能材料