本研究由刘慧（广西水利电力职业技术学院水利工程学院）、杜伟（东北电力大学化学工程学院）、吴美琼（广西水利电力职业技术学院水利工程学院）、张兰河（东北电力大学化学工程学院）、田宇晴（乌鲁木齐职业大学）和张海燕（吉林市泰思特科技开发有限公司）合作完成，发表于《化工进展》（Chemical Industry and Engineering Progress）期刊，网络首发日期为2025年12月25日，DOI编号10.16085/j.issn.1000-6613.2025-1300。

学术背景

该研究属于材料科学与腐蚀防护交叉领域，聚焦水性环氧树脂（Waterborne Epoxy Resin, WEP）涂料的性能优化。传统WEP涂层存在机械强度不足、防腐性能有限和自修复功能缺失等问题，尤其在海洋、化工等恶劣环境中易失效。为解决这些问题，研究团队提出通过二维材料Ti3C2Tx MXene的改性增强涂层的物理阻隔性能，同时引入苯并三氮唑（Benzotriazole, BTA）缓蚀剂赋予涂层主动防腐能力。研究目标包括：（1）开发一种兼具高分散性和缓蚀功能的纳米容器（S-MX@BTA）；（2）阐明复合涂层的防腐机理；（3）评估涂层的环境友好性。

研究流程与方法

1. 材料合成

   • MXene制备：通过LiF/HCl溶液蚀刻Ti3AlC2 MAX相48小时，离心洗涤至pH>6，得到多层Ti3C2Tx MXene分散液。

   • BTA负载：将MXene与2wt% BTA溶液搅拌12小时，紫外检测确认BTA完全吸附后冷冻干燥，得到MX@BTA。

   • 丝素蛋白（Silk Fibroin, SF）改性：以4-二甲氨基吡啶（DMAP）为催化剂，将MX@BTA与SF在50℃下反应6小时，制备S-MX@BTA。

2. 涂层制备

   将S-MX@BTA（0.2g）与WEP乳液（20g）超声分散，加入固化剂、消泡剂和分散剂，涂覆于Q235碳钢表面，固化后得到厚度130±5μm的S-MX@BTA/WEP涂层。对照组包括纯WEP和MXene/WEP涂层。

3. 表征与性能测试

   • 结构分析：X射线衍射（XRD）显示S-MX@BTA层间距增大3.08Å，BTA插层率达85.97%；傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）证实C-N键形成。

   • 机械性能：按国标测试涂层硬度（5H）、附着力（1级）、柔韧性（3mm）和抗冲击性（50cm），S-MX@BTA/WEP均优于对照组。

   • 防腐性能：电化学阻抗谱（EIS）显示，30天浸泡后S-MX@BTA/WEP的|Z|0.01Hz值保持3.86×10⁸ Ω·cm²，比WEP高1个数量级。划痕实验表明BTA释放后阻抗值提升8.1%，形成Fe-BTA络合物修复损伤区域。

   • 环境毒性：种子萌发实验表明涂层浸出液对大豆发芽率无显著影响（97%），符合GB 4404.2-2010标准。

主要结果

1. 材料特性：SF改性显著提升MXene在WEP中的分散性，涂层断面SEM显示无孔隙；XPS证实Ti-O-Fe键增强涂层与基体结合力。

2. 防腐机制：S-MX@BTA通过“迷宫效应”延长腐蚀介质路径，pH响应释放BTA抑制局部腐蚀。盐雾实验10天后，划痕区域锈斑扩散被有效抑制。

3. 自修复性能：划痕区域Fe含量达95.53wt%，EDS检测到N元素，证实BTA-Fe络合物填补损伤。

结论与价值

本研究创新性地将SF改性与BTA缓蚀剂结合，开发出高性能S-MX@BTA/WEP复合涂层，其科学价值在于：

1. 机理创新：揭示了Ti-O-Fe化学键与氢键协同增强界面结合的机制。

2. 技术应用：涂层兼具物理阻隔与化学缓蚀功能，为绿色防腐涂料设计提供新思路。

3. 环保性：采用生物相容性材料SF，降低传统化学改性的环境风险。

研究亮点

1. 多功能协同：首次将MXene的二维阻隔特性、BTA的缓蚀功能及SF的分散性整合于单一涂层系统。

2. 方法创新：开发pH响应型纳米容器，实现缓蚀剂的可控释放。

3. 跨学科意义：为海洋工程、化工设备等领域的长效防腐提供了可工业化推广的解决方案。

其他价值

研究团队通过毒性测试验证了涂层的生物安全性，并建议未来可替换BTA为天然缓蚀剂以进一步提升环保性。该成果对推动水性涂料在苛刻环境中的应用具有重要实践意义。