聚硅氮烷基含金属填料涂层的紫外光固化技术及其在腐蚀防护中的应用研究

这篇研究首次探索了高填充金属填料（80 vol.%）的聚硅氮烷（polysilazane）基涂层通过硫醇-烯"点击"（thiol-ene click）反应实现紫外光（UV）固化的可行性。研究对比了UV固化与热固化（250°C/1h）涂层的机械性能（硬度、划痕抵抗）和化学稳定性（甲苯、异丙醇浸泡），发现UV固化虽机械性能略低，但能形成更疏水表面（接触角124° vs 热固化97°），且通过金属颗粒反射和自由基链式反应实现全层固化，为温度敏感基材的腐蚀防护提供了新方案。

　　

1 引言

腐蚀造成的经济损失催生了多元防护技术，其中锌基涂层因电化学保护特性被广泛应用。传统热固化聚硅氮烷（polysilazane）涂层需高温处理（500°C），但受限于基材耐温性和大型部件加工难度。UV固化技术凭借快速反应 kinetics 在预陶瓷聚合物（preceramic polymers）领域崭露头角，尤其适用于增材制造（additive manufacturing）和微机电系统（MEMS）。Hoffmann等曾通过四官能团硫醇（TT）与光引发剂（TPO-L）引发聚硅氮烷的硫醇-烯反应实现固化，但高反射性金属填料（如锌、铝）对UV穿透的影响尚未明确。

2 材料与方法

研究选用含80 vol.%金属填料（锌镁鳞片STAPA^? 15 ZnMg26、铝鳞片APS 11 micron）的Durazane 1800聚硅氮烷体系，对比不同TT添加量（10%-100%摩尔比）的UV固化与含过氧化二异丙苯（DCP）的热固化涂层。通过365 nm LED（500 mW/cm²）照射实现固化，采用SEM观察微观结构，显微硬度仪（50 mN载荷）和划痕测试（DIN ISO 1518）评估机械性能，并通过甲苯/异丙醇浸泡实验验证化学稳定性。

3 结果与讨论

3.1 涂层微观结构

SEM显示所有涂层厚度18-22 μm，孔隙率30%-33%，金属鳞片平行排列（图2）。表面粗糙度（R_a 0.85-1.04 μm）无显著差异，表明填料分布均匀性不受固化方式影响。

3.2 机械性能

UV固化涂层硬度随TT含量增加而提升（10%:132 MPa→100%:255 MPa），但低于热固化样品（321 MPa）。划痕测试中，UV固化涂层在2-3 N载荷下即暴露基材，呈现塑性变形特征，而热固化涂层在5 N时出现脆性剥落（图4），可能与硫醚键（thioether bonds）的柔性有关。

3.3 化学稳定性

24小时浸泡后，所有体系无溶胀或质量损失（图6-7）。未固化对照组在甲苯中4小时内完全溶解，证实UV引发完全交联。接触角测试显示UV固化涂层疏水性显著（124° vs 热固化97°），惰性气氛实验证明热固化中金属填料氧化和Si-OH生成导致亲水性上升（表4）。

3.4 固化机制

UV-Vis光谱显示涂层反射率达95%（图11），透射率为0%，但通过金属颗粒多次反射和TPO-L的高效吸光（图9），仅需微量辐射即可触发自由基链式反应（图10）。多孔结构进一步促进辐射散射，实现全层固化。

4 结论

研究证实UV固化可替代热固化用于高填充金属涂层的交联，其优势包括：避免填料氧化、提升疏水性、兼容温度敏感基材。尽管机械性能略逊，但优异的化学稳定性和独特的表面特性使其在海洋防腐等领域具有应用潜力。未来可优化TT添加比例以平衡硬度与韧性。