天大汪怀远教授团队：破解导热防腐难题—高导热防腐粉末涂层材料研发

通讯作者：汪怀远*

单位：天津大学

聚合物基涂层具有种类多、密度低，比强度大，电绝缘的优势，同时具有良好的耐腐蚀性，然而聚合的本征导热系数过低限制了其在热管理领域的应用，添加导热填料会由于树脂-填料相容性差导致复合涂层内部产生缺陷，使其防腐性能大大下降。

为破解传统有机聚合物涂层在导热和防腐方面难以兼顾的重大挑战，天津大学汪怀远教授团队在期刊Industrial Chemistry & Materials上发表题为“A novel high thermal conductivity powder coating based on synergistic reinforcement of heat conduction and infrared heat radiation”的研究论文，发明了一种集优异导热和热辐射于一体的环保型粉末防腐涂层（MEGP）。在导热填料选择方面，选择具有微三维结构的膨胀石墨（EG）作为复合涂层的填料骨架，并用新合成的席夫碱-铈配合物（SP）缓蚀剂改性后得到功能填料（MEG），通过静电喷涂在涂层中形成三维导电网络。独特的结构赋予MEGP卓越的导热系数（2.6 W m⁻¹ K⁻¹），比纯环氧树脂（常用的防腐涂料树脂）高12倍，并且具有很高的红外发射率（在2.5-25 μm的全光谱范围内为0.95-0.98）。涂层通过传导和辐射双重机制协同增强散热，并用有限元模拟证实了其优异的热管理性能。同时，MEGP涂层表现出优异的附着力（10.4 MPa）和抗冲击性（100 cm）。此外，得益于席夫碱-铈配合物的存在，涂层在0.01 Hz频率下，在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡90天后，其阻抗模量仍保持在108 Ohm cm2以上。通过系统研究，阐明了三维网络结构与涂层多功能性能之间的结构-性能关系。这种新颖的设计为制备高导热防腐涂层提供了一种新方法。

将规定质量的EG和PPD溶于300 ml乙醇中，搅拌约15 min。将PPA和六水硝酸铈分别溶于25 ml乙醇中。将PPA溶液和硝酸铈溶液滴加到EG-PPD混合溶液中。反应3 h后，过滤、干燥得到SP改性EG（MEG)。将1 g EG与25、50、75、100、125和250 × 10 ⁻⁶ mol PPD反应分别制备命名为SP-25、SP-50、SP-75、SP-100、SP-125和SP-250。采用熔融吸附法对MEG进行预填充。之后，将环氧树脂、固化剂、预填充的MEG和流平剂（0.75 wt%）在密炼机中在90 ℃下混合2 min。最终将粉碎的混合物静电喷涂并固化（180 ℃，2 h）得到MEGP -X涂层，其中X代表涂层中填料的质量分数。树脂与固化剂的比例为15：2。为了进行比较，采用相同方法制备了EGP- X，GrP和CNTP涂层。涂层厚度为150±15μm。

如图2a-c所示，随着填料含量增加，EGP涂层中的填料网络逐渐致密。但当填料含量达到9 wt%时，EGP-9涂层出现成膜性欠佳的现象，其截面可见明显的大尺寸缺陷与孔洞（>200μm，图2c)。而MEGP涂层（图2d-i)的填料网络同样随填料含量提升呈现致密化趋势，其中MEGP-9不仅成膜性能优异，且SEM截面图像中未见明显缺陷。这种变化可归因于填料改性技术增强了EG填料与环氧树脂间的界面相容性。

通过优化填料含量和改性剂SP的用量，得到了涂层的最优面外导热系数为2.6 W/m·K，比纯环氧树脂（常用的防腐涂料树脂）高12倍，并且具有很高的红外发射率（在2.5–25 μm的全光谱范围内为0.95–0.98）。在30次热冲击测试后，涂层依旧保持了良好的热稳定性。

EGP-9涂层在氯化钠溶液中浸泡90天后，其|Z|0.01Hz值从约107 Ohm cm²急剧下降至104 Ohm cm²。Nyquist图（图4b2)显示电容弧半径减小且双时间常数愈发显著，表明电解液渗入基材/涂层界面并导致屏蔽效率降低。长时间浸泡促进了钢与电解液的直接接触，触发了界面电荷转移过程。相比之下，MEGP-9涂层即使经过90天盐水浸泡处理后仍保持较高的|Z|0.01Hz值（>108 Ohm cm²）（图4d1和d2)。例如，MEGP-9涂层（6.5×108 Ohm cm²）在90天浸泡后的阻抗模量比EGP-9涂层（3.1×104 Ohm cm²）高出四个数量级。此外，整个浸泡期间，MEGP-9涂层的阻抗弧半径始终大于EGP-9涂层，显示出良好的耐腐蚀性能。图4e展示了添加9 wt%填料的EGP和MEGP涂层在0.01 Hz下的阻抗模量变化。

本研究成功研制出环保型功能粉末涂层（MEGP），有效改善了传统聚合物基防护涂料在导热性与耐腐蚀性之间难以兼顾的固有矛盾。通过合成新型的功能填料构建三维网络结构，MEGP涂层实现了双重功能协同效应：兼具卓越导热性能（2.6 W·m⁻¹·K⁻¹）与高红外发射率（0.95-0.98），实现高效散热；同时具备10.4 MPa的强附着力和抗冲击特性。有限元模拟进一步验证了其优异的热管理性能。此外，席夫碱-铈改性剂的引入确保了涂层的防腐蚀性能，在盐水环境中浸泡90天后仍保持高于10⁸ Ohm cm 2的阻抗值。该创新策略不仅突破了传统防腐涂料的导热局限，更为绿色涂层设计的规模化应用奠定了理论基础，展现出在工业热管理和海洋防腐领域的潜在应用价值。

A novel high thermal conductivity powder coating based on synergistic reinforcement of heat conduction and infrared heat radiation

包迪，天津大学博士后，主要从事聚合物基功能涂料/复合材料方面的研究工作。在Chem. Eng. J.、Small、Ceram. Int.、Compos. Commun.等国际知名杂志上合作发表SCI论文30余篇，申请发明专利6 项，授权5 项。主持国家自然科学基金青年基金项目、校自主创新基金等科研项目2项。作为主要成员参与国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等项目研究。

宁俊淇，天津大学博士研究生，研究方向为导热复合材料/涂层的制备及其性能研究，导师为汪怀远教授。从事科研以来，以第一作者（含共一）身份在Ind. Chem. Mater.、Chem. Eng. J.、Carbon、Adv. Membr.、Sep. Purif. Technol.、Ind. Eng. Chem. Res.期刊发表论文六篇，申请发明专利4项，授权2项。参与国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等项目研究。