用于超疏水钢材保护的高稳定性 ZIF-67/活性炭/PDMS 混合纳米复合涂层

保持钢材干燥为何至关重要

从船舶与桥梁到管道和工厂设备，钢材在现代生活中默默承担着重要支撑作用。然而，使海洋如此重要的水与盐分也会侵蚀钢材，导致腐蚀，给工业带来数十亿的损失并威胁安全。本研究探讨了一种新的疏水涂层，该涂层使钢材表面极为干燥，水滴几乎不与其接触，从而显著减缓生锈并阻止会堵塞系统的矿物结垢。

为钢材设计的“怕水”表层

研究人员设计了一种薄型混合涂层，结合了三种各司其职的成分。名为 ZIF-67 的微小晶体颗粒在纳米尺度上形成了粗糙、锯齿状的地形。片状活性炭增加了强度并提供额外的纹理。柔性的硅基聚合物 PDMS 将所有成分结合在一起并天然排斥水分。通过简单的浸涂工艺将该混合物施加到钢材表面后，水滴会聚成接近完美的球形而不是摊开——这种状态称为超疏水性。

被困空气如何防止生锈

在显微观察下，效果最好的涂层表现出多层次的凸起与孔隙结构。当水滴落在其上时，会停留在这些凸起的尖端，下方夹着微小的空气囊。这种隐蔽的“空气垫”像一道屏障，将液体与金属隔开，使盐离子和氧气等腐蚀成分若要到达钢材必须走一条漫长曲折的路径。在含盐水中的电化学测量证实了该屏障的高效性：与未涂覆钢材相比，经优化的配方使电荷流动的电阻增加了约两个数量级，这清楚地表明腐蚀反应被大幅抑制。

找到配方的最佳比例

团队对不同含量的 ZIF-67/活性炭填料（标为 S2 到 S5）进行了测试。填料过少会使表面相对平滑，水随时间仍可能润湿涂层；填料过多则会导致纳米颗粒团聚，形成裂缝和薄弱点，水和离子可从这些处渗入。在 5 wt% 的中间值（样品 S4）时，表面结构达到了最佳：水接触角约为 170 度，水滴在极小的倾斜角下即可滑落，并且在强酸或强碱溶液中至少 48 小时保持稳定。通过反复撕粘带和磨损的机械测试表明，这种“最佳点”涂层能保持附着并维持其疏水结构。

同时防护生锈和矿物沉积

除了抵抗生锈外，该涂层还应对另一种常见的工业问题：矿物结垢。在富含钙的高温硬水中，碳酸钙沉积会在金属表面形成顽固的结壳，进而在沉积物下诱发腐蚀。当涂覆样品置于高温强结垢溶液中时，经优化的涂层在 48 小时内累计的矿物沉积量约为裸钢的一半。正是这些被困的空气和表面粗糙度既阻止了水润湿表面，也减少了晶体萌芽和附着的位点。

对实际钢结构的意义

通过精心平衡粗糙颗粒与疏水粘结剂，本研究提出了一种在含盐且化学侵蚀性强的环境中能使钢材保持干燥、清洁并受保护的涂层。表现最佳的配方兼具极强的水珠聚集性、高电阻以抑制腐蚀、良好的机械附着力及降低的矿物沉积。由于可采用简单的浸涂工艺，该混合涂层概念可望用于海洋结构、工业管道和换热器的保护，延长使用寿命并减少维护需求。

引用: Khalil, H.F., Rafea, M.A., El-Batouti, M. et al. Robust ZIF-67/AC/PDMS hybrid nanocomposite for superhydrophobic steel protection. Sci Rep 16, 14686 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49485-0

关键词: 超疏水涂层, 钢材腐蚀, 金属有机框架, 防结垢保护, 表面粗糙度