功能二維材料增強(qiáng)水性聚氨酯復(fù)合物的制備及防腐性能探究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)與日常生活中，金屬材料憑借其高強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于建筑、交通、能源、電子等眾多領(lǐng)域，是支撐現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，金屬腐蝕問題卻如同高懸的達(dá)摩克利斯之劍，時(shí)刻威脅著金屬材料的性能與使用壽命。金屬腐蝕是金屬與周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而導(dǎo)致的損壞現(xiàn)象，其發(fā)生過程十分復(fù)雜，受金屬自身特性、環(huán)境介質(zhì)以及外部應(yīng)力等多種因素影響。金屬腐蝕帶來的危害是多方面且極其嚴(yán)重的。從經(jīng)濟(jì)角度來看，全球每年因金屬腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約占全球GDP的2%-4%，這一數(shù)字令人觸目驚心。例如，石油化工行業(yè)中，管道和儲(chǔ)罐的腐蝕導(dǎo)致頻繁檢修和更換設(shè)備，極大地增加了運(yùn)營(yíng)成本；橋梁、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕維修費(fèi)用，每年耗費(fèi)數(shù)百億美元。從安全層面考慮，金屬腐蝕會(huì)降低金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，埋下嚴(yán)重的安全隱患。如橋梁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕可能導(dǎo)致其在自然災(zāi)害或日常使用中突然坍塌；化工設(shè)備的腐蝕穿孔可能引發(fā)物料泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致爆炸、火災(zāi)等災(zāi)難性事故，對(duì)人員生命安全和環(huán)境造成不可挽回的損害。從資源角度而言，腐蝕使得金屬材料提前報(bào)廢，造成大量資源浪費(fèi)。鋼鐵、鋁、銅等金屬材料的生產(chǎn)需要消耗大量能源和原材料，而腐蝕縮短了這些材料的使用壽命，迫使人類不得不提前開采和使用新的材料，加劇了資源短缺的壓力。為了有效抑制金屬腐蝕，人們研發(fā)了多種防護(hù)措施，其中涂料防腐是應(yīng)用最為廣泛且經(jīng)濟(jì)有效的方法之一。涂料作為一種可涂覆于金屬表面的材料，干燥后能形成一層連續(xù)的保護(hù)膜，如同給金屬穿上了一層“防護(hù)服”，將金屬與腐蝕介質(zhì)隔離開來，從而減緩或阻止腐蝕的發(fā)生。涂料的防腐蝕原理主要包括屏蔽作用、鈍化作用和陰極保護(hù)作用。屏蔽作用是指涂覆漆膜將金屬設(shè)備的表面和周圍環(huán)境進(jìn)行隔離，避免金屬發(fā)生氧化，阻隔腐蝕性物質(zhì)的侵蝕；鈍化作用是通過涂料中的顏料使金屬表面的性能改變，進(jìn)而起到鈍化作用，具有一定的緩腐效果；陰極保護(hù)作用則是利用涂料中某些成分的電極電位特性，對(duì)金屬表面進(jìn)行保護(hù)，但這需要確保涂層的粘附力強(qiáng)，緊緊與金屬表面貼合，以保證涂層的透氣性和滲水性良好。在眾多涂料品種中，水性聚氨酯涂料以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成為近年來涂料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。水性聚氨酯涂料是以水代替有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)的新型聚氨酯體系，具有綠色環(huán)保、安全可靠、機(jī)械性能優(yōu)良、相容性好、易于改性等優(yōu)點(diǎn)。首先，其環(huán)保性能優(yōu)越，在生產(chǎn)和使用過程中幾乎不揮發(fā)有機(jī)溶劑，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體健康的危害，符合當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)保的嚴(yán)格要求。其次，水性聚氨酯涂料具有良好的耐腐蝕性能，能夠?qū)Ωg性物質(zhì)起到有效的防護(hù)作用，其耐候性和耐久性也較為出色，可在不同環(huán)境條件下長(zhǎng)期使用。此外，該涂料表面光滑，色澤鮮艷、自然、整齊、勻稱，具有多種裝飾性能，能夠滿足不同用戶對(duì)美觀的需求；同時(shí)，它還具有優(yōu)異的耐磨損性能，可以有效阻止表面的磨損，抗拉、抗壓、抗折強(qiáng)度較大。然而，水性聚氨酯涂料也并非完美無(wú)缺，其自身存在一些局限性，限制了它的更廣泛應(yīng)用。例如，與一些傳統(tǒng)的熱固性涂料相比，水性聚氨酯涂料的硬度較低，這使得其在一些對(duì)表面硬度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)欠佳，容易出現(xiàn)劃痕、磨損等問題；其抗拉強(qiáng)度也相對(duì)較低，不能有效抵抗較大外力的拉伸及彎曲，在受到較大外力作用時(shí)有可能出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；耐熱性較差，當(dāng)溫度高于100℃時(shí)，易影響涂料的涂裝效果，導(dǎo)致涂層性能下降；在施工過程中，由于水的存在，涂料容易出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，從而影響涂層的質(zhì)量和美觀度；而且施工完成后，通常還需要經(jīng)過烘干過程，這使得施工過程變得相對(duì)復(fù)雜繁瑣，增加了施工成本和時(shí)間。為了克服水性聚氨酯涂料的這些缺點(diǎn)，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，研究人員嘗試采用各種方法對(duì)其進(jìn)行改性。其中，引入功能二維材料對(duì)水性聚氨酯進(jìn)行復(fù)合改性成為一種極具潛力的研究方向。功能二維材料是指具有特殊物理、化學(xué)性質(zhì)的二維材料，如石墨烯、二硫化鉬、氮化硼等。這些材料具有獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)，使其擁有大的比表面積、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。將功能二維材料與水性聚氨酯復(fù)合，有望通過二者之間的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)，從而顯著提高水性聚氨酯涂料的綜合性能。功能二維材料的高比表面積和良好的阻隔性能可以增強(qiáng)涂層對(duì)腐蝕介質(zhì)的屏蔽作用，有效阻擋水分、氧氣和離子等的滲透，提高涂料的防腐性能；其優(yōu)異的力學(xué)性能可以彌補(bǔ)水性聚氨酯涂料硬度和抗拉強(qiáng)度不足的問題，增強(qiáng)涂層的耐磨性和抗拉伸能力；一些功能二維材料還具有特殊的電學(xué)和化學(xué)性能，可能賦予復(fù)合涂層額外的功能，如自修復(fù)、抗菌等。綜上所述，金屬腐蝕問題嚴(yán)重威脅著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、安全保障和資源可持續(xù)利用，涂料防腐是重要的防護(hù)手段，水性聚氨酯涂料雖有優(yōu)勢(shì)但存在不足，通過功能二維材料改性有望提升其性能。因此，開展功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的制備及防腐性能研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，不僅可以豐富材料科學(xué)的理論體系，為涂料改性提供新的思路和方法，還能為解決金屬腐蝕問題提供更有效的防護(hù)材料，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1功能二維材料的研究現(xiàn)狀功能二維材料由于其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和電子特性，展現(xiàn)出了許多優(yōu)異的性能，在過去幾十年間吸引了全球科研人員的廣泛關(guān)注，取得了豐碩的研究成果。石墨烯作為典型的功能二維材料，自2004年被首次成功制備以來，成為了研究最為深入和廣泛的二維材料之一。其具有極高的理論比表面積（約2630m2/g），這使得它在吸附、催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，在吸附領(lǐng)域，石墨烯可以高效地吸附水中的重金屬離子和有機(jī)污染物，通過表面的π-π相互作用和靜電作用，對(duì)多種污染物實(shí)現(xiàn)快速去除。在催化方面，石墨烯可以作為催化劑載體，負(fù)載金屬納米粒子或其他催化活性物質(zhì)，提高催化劑的活性和穩(wěn)定性，如負(fù)載鉑納米粒子用于燃料電池的催化反應(yīng)，能夠顯著提高電池的性能。此外，石墨烯還具有優(yōu)異的電學(xué)性能，其電子遷移率高達(dá)200000cm2/（V?s），在室溫下即可表現(xiàn)出半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)，這使得它在電子學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，如用于制備高性能的晶體管、集成電路和傳感器等。在晶體管制備中，基于石墨烯的晶體管展現(xiàn)出了高開關(guān)比、低功耗和高頻率響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，有望推動(dòng)集成電路向更小尺寸和更高性能發(fā)展。在傳感器應(yīng)用中，石墨烯傳感器對(duì)氣體分子具有極高的靈敏度，能夠快速檢測(cè)出極低濃度的氣體，如對(duì)二氧化氮、氨氣等有害氣體的檢測(cè)限可達(dá)ppb級(jí)別。二硫化鉬（MoS?）也是一種備受關(guān)注的功能二維材料，具有類似于石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)，但與石墨烯不同的是，它具有直接帶隙，在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。單層MoS?的帶隙約為1.8eV，這種特性使其在光電器件領(lǐng)域表現(xiàn)出色，如用于制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光電探測(cè)器和發(fā)光二極管等。在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，MoS?晶體管展現(xiàn)出了良好的開關(guān)特性和較高的載流子遷移率，有望應(yīng)用于下一代集成電路中。在光電探測(cè)器方面，MoS?對(duì)可見光和近紅外光具有較高的響應(yīng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的快速檢測(cè)，可應(yīng)用于光通信、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。此外，MoS?還具有良好的潤(rùn)滑性能，其層間較弱的范德華力使得它在摩擦學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，可作為固體潤(rùn)滑劑添加到潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂中，降低摩擦系數(shù)，提高機(jī)械部件的使用壽命。氮化硼（BN）同樣是一種重要的功能二維材料，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和絕緣性能。六方氮化硼（h-BN）的結(jié)構(gòu)類似于石墨，具有良好的導(dǎo)熱性，其熱導(dǎo)率可達(dá)300-500W/（m?K），在熱管理領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，如用于制備高性能的散熱材料，可有效提高電子設(shè)備的散熱效率，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。立方氮化硼（c-BN）則具有極高的硬度，僅次于金剛石，在切削加工、磨料磨具等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，可用于制造刀具、砂輪等，能夠提高加工效率和加工精度。此外，氮化硼還具有良好的生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用潛力，如用于制備生物傳感器、藥物載體等。盡管功能二維材料在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)和問題。在大規(guī)模制備方面，雖然已經(jīng)發(fā)展了多種制備方法，如化學(xué)氣相沉積法、機(jī)械剝離法、液相剝離法等，但這些方法在制備高質(zhì)量、大面積的功能二維材料時(shí)仍存在效率低、成本高、質(zhì)量不均勻等問題，限制了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。在應(yīng)用方面，功能二維材料與其他材料的兼容性和界面結(jié)合問題也亟待解決，如何實(shí)現(xiàn)功能二維材料與基體材料的良好復(fù)合，充分發(fā)揮其優(yōu)異性能，仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。1.2.2水性聚氨酯的研究現(xiàn)狀水性聚氨酯作為一種重要的高分子材料，自20世紀(jì)60年代問世以來，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究和應(yīng)用，其性能不斷優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展。在合成技術(shù)方面，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)形成了多種成熟的合成方法，如自乳化法、外乳化法和封端法等。自乳化法是目前應(yīng)用最為廣泛的合成方法，通過在聚氨酯分子鏈中引入親水性基團(tuán)，如羧基、磺酸基等，使其在水中能夠自乳化形成穩(wěn)定的乳液。外乳化法則是借助外加乳化劑的作用，將聚氨酯分散在水中形成乳液，但該方法存在乳化劑殘留、乳液穩(wěn)定性差等問題。封端法是利用封端劑將聚氨酯的活性基團(tuán)封閉，使其在常溫下穩(wěn)定，在使用時(shí)通過加熱或其他方式解封，實(shí)現(xiàn)固化，該方法可有效提高水性聚氨酯的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和固化性能。近年來，隨著綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展理念的深入，水性聚氨酯的合成技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，朝著更加環(huán)保、高效、低成本的方向發(fā)展。例如，采用可再生資源如植物油、生物基多元醇等作為原料合成水性聚氨酯，不僅降低了對(duì)石油等化石資源的依賴，還提高了材料的生物降解性和環(huán)境友好性。在性能研究方面，水性聚氨酯的力學(xué)性能、耐水性、耐熱性等一直是研究的重點(diǎn)。為了提高水性聚氨酯的力學(xué)性能，研究人員通過調(diào)整分子結(jié)構(gòu)、引入交聯(lián)劑或增強(qiáng)相等方法進(jìn)行改性。例如，通過增加硬段含量、選擇合適的擴(kuò)鏈劑或引入多官能團(tuán)交聯(lián)劑，可以提高水性聚氨酯的硬度、拉伸強(qiáng)度和耐磨性。在耐水性方面，通過對(duì)分子鏈進(jìn)行疏水改性，如引入有機(jī)硅、有機(jī)氟等疏水基團(tuán)，或采用交聯(lián)技術(shù)提高涂膜的致密性，有效降低了水性聚氨酯的吸水率，提高了其在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性。對(duì)于耐熱性的改善，主要通過引入耐高溫的結(jié)構(gòu)單元或采用無(wú)機(jī)納米粒子復(fù)合改性等方法，提高水性聚氨酯的熱分解溫度和熱穩(wěn)定性。此外，水性聚氨酯的其他性能如抗菌性、導(dǎo)電性等也逐漸受到關(guān)注，通過在分子鏈中引入抗菌基團(tuán)或添加導(dǎo)電填料等方式，賦予了水性聚氨酯更多的功能特性。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，水性聚氨酯憑借其環(huán)保、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在涂料、膠粘劑、紡織、皮革、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在涂料領(lǐng)域，水性聚氨酯涂料具有良好的裝飾性和耐腐蝕性，可用于建筑、家具、汽車等行業(yè)的表面涂裝，能夠有效保護(hù)基材，延長(zhǎng)其使用壽命。在膠粘劑領(lǐng)域，水性聚氨酯膠粘劑對(duì)多種材料具有良好的粘接性能，廣泛應(yīng)用于木材、紙張、塑料、金屬等材料的粘接，尤其在包裝行業(yè)中，水性聚氨酯膠粘劑的應(yīng)用越來越普遍。在紡織領(lǐng)域，水性聚氨酯可作為涂層劑、整理劑等，用于改善織物的手感、防水性、耐磨性等性能，提高織物的附加值。在皮革領(lǐng)域，水性聚氨酯被廣泛應(yīng)用于皮革涂飾，能夠賦予皮革良好的光澤、柔軟度和耐磨性，同時(shí)減少了有機(jī)溶劑的使用，降低了對(duì)環(huán)境的污染。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，水性聚氨酯因其良好的生物相容性和可降解性，可用于制備人工器官、藥物載體、組織工程支架等，為生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了新的材料選擇。然而，水性聚氨酯在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些不足之處。如前所述，其硬度、抗拉強(qiáng)度、耐熱性等性能與傳統(tǒng)溶劑型聚氨酯相比仍有一定差距，在一些對(duì)性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中受到限制。此外，水性聚氨酯的干燥速度較慢，這在一定程度上影響了其施工效率和生產(chǎn)周期。同時(shí)，由于水的表面張力較大，水性聚氨酯在施工過程中容易出現(xiàn)流平性差、氣泡難以消除等問題，需要添加特殊的助劑來解決，這增加了生產(chǎn)成本和工藝復(fù)雜性。1.2.3功能二維材料改性水性聚氨酯的研究現(xiàn)狀鑒于功能二維材料和水性聚氨酯各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將功能二維材料引入水性聚氨酯中制備復(fù)合材料，成為了近年來材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，旨在通過兩者的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化和互補(bǔ)。在復(fù)合材料的制備方法方面，目前主要采用物理共混法和化學(xué)共聚法。物理共混法是將功能二維材料直接分散在水性聚氨酯乳液中，通過攪拌、超聲等方式實(shí)現(xiàn)均勻混合。這種方法操作簡(jiǎn)單、工藝成熟，但功能二維材料與水性聚氨酯之間的界面結(jié)合力較弱，容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，影響復(fù)合材料的性能。為了改善這一問題，研究人員通常會(huì)對(duì)功能二維材料進(jìn)行表面改性，引入與水性聚氨酯相容性好的基團(tuán)，提高其在乳液中的分散性和界面結(jié)合力。例如，采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)石墨烯進(jìn)行表面改性，使其表面接枝上與水性聚氨酯分子具有親和性的基團(tuán)，從而提高了石墨烯在水性聚氨酯中的分散穩(wěn)定性和復(fù)合材料的力學(xué)性能?；瘜W(xué)共聚法則是在水性聚氨酯的合成過程中，將功能二維材料作為單體或共聚單體參與反應(yīng)，通過化學(xué)鍵合的方式將功能二維材料引入到水性聚氨酯分子鏈中。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)功能二維材料與水性聚氨酯的緊密結(jié)合，提高復(fù)合材料的性能，但合成工藝相對(duì)復(fù)雜，對(duì)反應(yīng)條件的控制要求較高。在復(fù)合材料的性能研究方面，眾多研究表明，功能二維材料的引入能夠顯著改善水性聚氨酯的防腐性能、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等。在防腐性能方面，功能二維材料的二維層狀結(jié)構(gòu)能夠有效阻擋腐蝕介質(zhì)的滲透，延長(zhǎng)腐蝕介質(zhì)到達(dá)金屬表面的路徑，從而提高涂層的防腐性能。例如，石墨烯具有優(yōu)異的阻隔性能，將其添加到水性聚氨酯涂料中，能夠形成物理屏障，有效阻止水分、氧氣和離子等的侵入，提高涂層對(duì)金屬的防護(hù)能力。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯的添加量為0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，水性聚氨酯涂層的耐腐蝕性能提高了數(shù)倍，在鹽霧試驗(yàn)中的腐蝕時(shí)間明顯延長(zhǎng)。在力學(xué)性能方面，功能二維材料的高強(qiáng)度和高模量能夠增強(qiáng)水性聚氨酯的力學(xué)性能。以二硫化鉬改性水性聚氨酯為例，二硫化鉬的層狀結(jié)構(gòu)能夠在受力時(shí)起到應(yīng)力傳遞和分散的作用，有效提高了復(fù)合材料的硬度、拉伸強(qiáng)度和耐磨性。當(dāng)二硫化鉬的添加量為3%時(shí)，水性聚氨酯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了約30%，硬度提高了一個(gè)等級(jí)。在熱穩(wěn)定性方面，功能二維材料的高熱穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)熱性能能夠提高水性聚氨酯的熱分解溫度和熱傳導(dǎo)效率，降低材料在高溫下的熱降解速率。如氮化硼改性水性聚氨酯后，復(fù)合材料的熱分解溫度提高了幾十?dāng)z氏度，在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性得到顯著改善。盡管功能二維材料改性水性聚氨酯取得了一定的研究成果，但目前仍存在一些問題有待解決。首先，功能二維材料在水性聚氨酯中的分散均勻性和穩(wěn)定性問題尚未得到徹底解決，即使經(jīng)過表面改性，在長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存或高剪切力作用下，仍可能出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，影響復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性和重復(fù)性。其次，功能二維材料與水性聚氨酯之間的界面相互作用機(jī)制還不夠清晰，如何通過優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高兩者之間的結(jié)合力，充分發(fā)揮功能二維材料的增強(qiáng)增韌作用，仍是需要深入研究的課題。此外，目前對(duì)于功能二維材料改性水性聚氨酯復(fù)合材料的長(zhǎng)期性能和耐久性研究相對(duì)較少，在實(shí)際應(yīng)用中，材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要，需要開展更多的長(zhǎng)期性能測(cè)試和評(píng)估工作。同時(shí)，復(fù)合材料的制備成本較高，限制了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，如何降低制備成本，提高生產(chǎn)效率，也是未來研究需要關(guān)注的重點(diǎn)之一。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物展開，具體研究?jī)?nèi)容如下：功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的制備：選取合適的功能二維材料，如石墨烯、二硫化鉬或氮化硼等，采用物理共混法或化學(xué)共聚法，將其與水性聚氨酯進(jìn)行復(fù)合。通過優(yōu)化制備工藝參數(shù)，如功能二維材料的添加量、分散方式、反應(yīng)溫度和時(shí)間等，制備出具有良好分散性和穩(wěn)定性的功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物。例如，在物理共混法中，研究不同攪拌速度和超聲時(shí)間對(duì)功能二維材料在水性聚氨酯中分散效果的影響；在化學(xué)共聚法中，探索不同單體比例和反應(yīng)條件對(duì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)和性能的影響。功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物防腐性能研究：采用多種測(cè)試方法對(duì)制備的復(fù)合物涂層的防腐性能進(jìn)行全面評(píng)估。利用電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試涂層在模擬腐蝕介質(zhì)中的阻抗變化，分析涂層對(duì)腐蝕電流的阻擋能力；通過鹽霧試驗(yàn)，觀察涂層在鹽霧環(huán)境下的腐蝕情況，記錄涂層出現(xiàn)腐蝕跡象的時(shí)間，評(píng)估涂層的耐腐蝕壽命；進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，將涂覆有復(fù)合物涂層的金屬試樣浸泡在不同腐蝕介質(zhì)中，定期檢測(cè)涂層的附著力、外觀變化等，研究涂層在不同腐蝕介質(zhì)中的穩(wěn)定性和防護(hù)效果。功能二維材料對(duì)水性聚氨酯復(fù)合物性能影響因素分析：深入研究功能二維材料的種類、添加量、分散狀態(tài)以及與水性聚氨酯的界面相互作用等因素對(duì)復(fù)合物性能的影響。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等微觀分析手段，觀察功能二維材料在水性聚氨酯中的分散形態(tài)和分布情況，分析其團(tuán)聚程度對(duì)復(fù)合物性能的影響；利用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、X射線光電子能譜（XPS）等方法，研究功能二維材料與水性聚氨酯之間的化學(xué)鍵合和相互作用，探討界面結(jié)合力對(duì)復(fù)合物性能的影響機(jī)制；通過力學(xué)性能測(cè)試、熱性能測(cè)試等，研究功能二維材料的添加對(duì)水性聚氨酯復(fù)合物力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等其他性能的影響規(guī)律。功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物防腐機(jī)理研究：結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析，深入探討功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的防腐機(jī)理。從物理屏蔽、化學(xué)鈍化、陰極保護(hù)等方面分析復(fù)合物涂層對(duì)金屬腐蝕的抑制作用。例如，研究功能二維材料的二維層狀結(jié)構(gòu)如何有效阻擋腐蝕介質(zhì)的滲透，延長(zhǎng)腐蝕介質(zhì)到達(dá)金屬表面的路徑；分析復(fù)合物涂層中的某些成分是否能夠與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成鈍化膜，抑制金屬的腐蝕；探討功能二維材料的電學(xué)性能是否能夠?qū)饘俦砻娈a(chǎn)生陰極保護(hù)作用，從而減緩金屬的腐蝕速率。1.3.2研究方法本研究將綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、結(jié)構(gòu)表征、性能測(cè)試和理論分析等多種方法，確保研究的全面性和深入性。實(shí)驗(yàn)研究方法：通過設(shè)計(jì)一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究不同制備工藝參數(shù)和功能二維材料特性對(duì)復(fù)合物性能的影響。在制備實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量和用量，精確控制反應(yīng)條件，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。例如，在研究功能二維材料添加量對(duì)復(fù)合物防腐性能的影響時(shí)，設(shè)置多個(gè)不同添加量的實(shí)驗(yàn)組，其他條件保持一致，通過對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)組的防腐性能測(cè)試結(jié)果，得出添加量與防腐性能之間的關(guān)系。結(jié)構(gòu)表征方法：采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察復(fù)合物的微觀形貌，了解功能二維材料在水性聚氨酯中的分散狀態(tài)和分布情況；利用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步分析功能二維材料的層狀結(jié)構(gòu)和與水性聚氨酯的界面結(jié)合情況；通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、X射線光電子能譜（XPS）等手段，分析復(fù)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵合情況，確定功能二維材料與水性聚氨酯之間的相互作用方式。性能測(cè)試方法：運(yùn)用電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試，測(cè)量涂層在腐蝕過程中的阻抗變化，評(píng)估涂層的防腐性能；按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，模擬海洋等惡劣環(huán)境下的腐蝕情況，檢測(cè)涂層的耐腐蝕性能；進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，將涂層試樣浸泡在不同腐蝕介質(zhì)中，觀察涂層的性能變化，分析涂層在不同環(huán)境下的適應(yīng)性。同時(shí)，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合物的力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等；利用熱重分析儀（TGA）測(cè)試復(fù)合物的熱穩(wěn)定性，分析其在不同溫度下的熱分解行為。理論分析方法：基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)理論知識(shí)，建立數(shù)學(xué)模型或物理模型，對(duì)功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的防腐性能和作用機(jī)理進(jìn)行理論分析和模擬計(jì)算。例如，利用電化學(xué)理論分析涂層在腐蝕過程中的電化學(xué)行為，解釋電化學(xué)阻抗譜的測(cè)試結(jié)果；運(yùn)用材料科學(xué)理論，分析功能二維材料與水性聚氨酯之間的界面相互作用對(duì)復(fù)合物性能的影響機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和解釋。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1功能二維材料概述二維材料是指電子僅可在兩個(gè)維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)（平面運(yùn)動(dòng)）的材料，其原子結(jié)構(gòu)呈平面狀，僅在二維方向上具有原子級(jí)別的厚度，而在第三維方向上的尺寸極小，通常為單個(gè)原子層或少數(shù)幾個(gè)原子層的厚度。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了二維材料許多與傳統(tǒng)三維材料截然不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，二維材料中的電子運(yùn)動(dòng)被限制在二維平面內(nèi)，其電子態(tài)密度分布與三維材料有很大差異，導(dǎo)致了諸如量子限域效應(yīng)、高載流子遷移率等特殊的電學(xué)性質(zhì)。在力學(xué)方面，二維材料雖然厚度極薄，但由于其原子間的強(qiáng)相互作用，在平面內(nèi)往往具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，能夠承受一定程度的拉伸和彎曲而不發(fā)生破裂。在光學(xué)性質(zhì)上，二維材料表現(xiàn)出與塊體材料不同的光吸收、發(fā)射和散射特性，為光電器件的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。二維材料種類繁多，根據(jù)其化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)的不同，可大致分為以下幾類：碳基二維材料：以碳原子為主要組成元素，其中最具代表性的是石墨烯。石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具有極高的載流子遷移率，在室溫下可達(dá)200000cm2/（V?s），這使得它在高速電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如用于制造高性能的晶體管和集成電路。此外，石墨烯還具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其理論拉伸強(qiáng)度高達(dá)130GPa，是一種非常堅(jiān)韌的材料；它的導(dǎo)熱性能也十分出色，熱導(dǎo)率可達(dá)5000W/（m?K），可用于制備高效的散熱材料。除了石墨烯，碳納米管也可看作是將石墨烯卷曲而成的一維管狀結(jié)構(gòu)，在某些情況下也可被視為具有二維特性的材料，它在力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等方面同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在復(fù)合材料增強(qiáng)、電子器件和能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。過渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDs）：這是一類由過渡金屬原子和硫?qū)僭咏M成的二維材料，如二硫化鉬（MoS?）、二硫化鎢（WS?）等。以MoS?為例，它具有類似于三明治的層狀結(jié)構(gòu)，由中間的鉬原子層和兩側(cè)的硫原子層通過共價(jià)鍵結(jié)合而成，層與層之間通過較弱的范德華力相互作用。MoS?在光電器件領(lǐng)域表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它具有直接帶隙，且?guī)秾挾瓤赏ㄟ^層數(shù)進(jìn)行調(diào)控，單層MoS?的帶隙約為1.8eV，這種特性使其在光電探測(cè)器、發(fā)光二極管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管等光電器件中具有重要的應(yīng)用前景。此外，MoS?還具有良好的潤(rùn)滑性能，可作為固體潤(rùn)滑劑用于降低機(jī)械部件之間的摩擦系數(shù)，提高機(jī)械設(shè)備的使用壽命。六方氮化硼（h-BN）：h-BN是由硼原子和氮原子交替排列組成的六方晶系化合物，其結(jié)構(gòu)與石墨烯類似，具有二維層狀結(jié)構(gòu)，層間通過范德華力相互作用。h-BN具有許多優(yōu)異的性能，如高的熱穩(wěn)定性，其分解溫度可高達(dá)3000℃以上，在高溫環(huán)境下仍能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠抵抗大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的侵蝕；優(yōu)異的絕緣性能，其電阻率高達(dá)101?-101?Ω?cm，可用于制備絕緣材料和電子器件的隔離層。此外，h-BN還具有較高的導(dǎo)熱率，在熱管理領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，可用于制造高效的散熱片和熱界面材料，幫助電子設(shè)備快速散熱，提高設(shè)備的性能和可靠性。黑磷：黑磷是磷的一種同素異形體，具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，但與石墨烯不同的是，它具有一定的帶隙，且?guī)秾挾葹?.3-2.0eV（取決于層數(shù)），這種帶隙特性使得黑磷在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如用于制造高性能的晶體管和傳感器。黑磷還具有良好的光學(xué)吸收特性，在光電器件如光電探測(cè)器和發(fā)光二極管等方面也展現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景。此外，黑磷的機(jī)械性能也較為出色，在平面內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和柔韌性，能夠承受一定程度的彎曲和拉伸。以下對(duì)幾種典型的功能二維材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述：石墨烯：石墨烯的結(jié)構(gòu)由碳原子組成的六邊形蜂窩狀晶格構(gòu)成，每個(gè)碳原子通過sp2雜化與相鄰的三個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，使得石墨烯具有高度的穩(wěn)定性和平面內(nèi)的力學(xué)強(qiáng)度。這種獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯一系列優(yōu)異的性能。在電學(xué)性能方面，石墨烯中的電子表現(xiàn)出無(wú)質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子的特性，其載流子遷移率極高，這使得石墨烯在電子學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，如用于制造高速電子器件、傳感器和透明導(dǎo)電電極等。在力學(xué)性能上，石墨烯具有極高的強(qiáng)度和柔韌性，能夠承受較大的拉伸應(yīng)力而不發(fā)生破裂，同時(shí)還能在一定程度上彎曲，這種力學(xué)特性使其在柔性電子器件和復(fù)合材料增強(qiáng)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在熱學(xué)性能方面，石墨烯具有出色的熱導(dǎo)率，能夠快速傳導(dǎo)熱量，可用于制備高效的散熱材料，應(yīng)用于電子設(shè)備的熱管理系統(tǒng)中，幫助降低設(shè)備溫度，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。此外，石墨烯還具有較大的比表面積，理論比表面積可達(dá)2630m2/g，這使得它在吸附、催化和儲(chǔ)能等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，如可用于制備高性能的吸附劑、催化劑載體和超級(jí)電容器電極材料等。二硫化鉬（MoS?）：MoS?的晶體結(jié)構(gòu)由硫原子-鉬原子-硫原子三層原子組成的三明治結(jié)構(gòu)層堆疊而成，層間通過較弱的范德華力相互作用。這種結(jié)構(gòu)決定了MoS?具有一些獨(dú)特的性能。在電學(xué)性能方面，MoS?具有直接帶隙，且?guī)洞笮∨c層數(shù)有關(guān)，單層MoS?的帶隙約為1.8eV，隨著層數(shù)的增加，帶隙逐漸減小，這種帶隙可調(diào)控的特性使其在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，如可用于制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光電探測(cè)器和發(fā)光二極管等光電器件。在光學(xué)性能方面，MoS?對(duì)光的吸收和發(fā)射表現(xiàn)出與塊體材料不同的特性，可用于制備新型的光電器件和光學(xué)傳感器。在潤(rùn)滑性能方面，由于層間較弱的范德華力，MoS?具有良好的潤(rùn)滑性能，可作為固體潤(rùn)滑劑添加到潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂中，降低摩擦系數(shù)，減少機(jī)械部件的磨損，提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率和使用壽命。此外，MoS?還具有一定的催化性能，在一些化學(xué)反應(yīng)中可作為催化劑或催化劑載體，如在析氫反應(yīng)中表現(xiàn)出較好的催化活性。六方氮化硼（h-BN）：h-BN的結(jié)構(gòu)中，硼原子和氮原子以共價(jià)鍵結(jié)合形成類似于蜂窩狀的平面結(jié)構(gòu)，層間通過范德華力相互作用。這種結(jié)構(gòu)使得h-BN具有許多優(yōu)異的性能。在熱學(xué)性能方面，h-BN具有較高的熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)率可達(dá)300-500W/（m?K），這使得它在熱管理領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，可用于制造散熱片、熱界面材料和高溫結(jié)構(gòu)部件等，能夠有效地將熱量傳導(dǎo)出去，保證設(shè)備在高溫環(huán)境下的正常運(yùn)行。在化學(xué)性能方面，h-BN具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠抵抗大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，在化學(xué)工業(yè)中可用于制備耐腐蝕的設(shè)備和材料。在絕緣性能方面，h-BN是一種優(yōu)良的絕緣體，其電阻率高達(dá)101?-101?Ω?cm，可用于制備電子器件的絕緣層和隔離材料，防止電子泄漏和短路，提高電子器件的性能和可靠性。此外，h-BN還具有良好的機(jī)械性能，在高溫下仍能保持一定的強(qiáng)度和硬度，可用于制造高溫結(jié)構(gòu)部件和切削工具等。2.2水性聚氨酯概述水性聚氨酯（WaterbornePolyurethane，簡(jiǎn)稱WPU），又稱水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯，是以水代替有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)的新型聚氨酯體系。其基本構(gòu)成是聚氨酯（PU）粒子分散于連續(xù)的水相中，形成二元膠態(tài)體系。這種獨(dú)特的分散方式使得水性聚氨酯既具有聚氨酯材料的優(yōu)異性能，又具備以水為溶劑所帶來的諸多優(yōu)勢(shì)。從合成原理來看，水性聚氨酯的合成一般先將二異氰酸酯、低聚物二醇（或多元醇）和擴(kuò)鏈劑預(yù)先反應(yīng)，制備一定分子量的預(yù)聚體或高分子量聚氨酯樹脂，再采用相轉(zhuǎn)移法將其溶解或乳化于水中。具體而言，其合成方法主要有以下幾種：一是由低聚物二醇、二異氰酸酯以及小分子擴(kuò)鏈劑，制備端—NCO聚氨酯預(yù)聚體，或在有機(jī)溶劑中制備高分子量聚氨酯，在乳化劑及高剪切力作用下乳化；二是由中低分子量的聚氧化乙烯二醇作為低聚物二元醇原料，與二異氰酸酯（及擴(kuò)鏈劑）制備聚氨酯或預(yù)聚體，再分散于水中；三是采用含羧基、磺酸基或叔氨基的擴(kuò)鏈劑制備聚氨酯或其預(yù)聚體，中和后制成離子型聚氨酯并乳化，根據(jù)具體情況，中和可在乳化前或乳化同時(shí)進(jìn)行，預(yù)聚體的乳化過程可利用于胺擴(kuò)鏈；四是制備聚氨酯-脲-多胺（PUUA），PUUA在稀酸水溶液中乳化，或?qū)UUA與環(huán)氧氯丙烷（ECH）的加成物在酸性水溶液中乳化，或PUUA和ECH的加成物與內(nèi)酯或磺內(nèi)酯反應(yīng)，在堿性水溶液中乳散饑旦化，可得到陰離子型聚氨酯乳液；五是使聚氨酯帶有親水的羥甲基，引入羥甲基的方法是利用聚氨酯的氨基與甲醛的反應(yīng)，或含一NCO的聚氨酯的預(yù)聚體與過量三乙醇胺反應(yīng)；六是先制備含PEO等親水?dāng)U鏈性鏈節(jié)或基團(tuán)的端一NCO預(yù)聚體，再與亞硫酸氫鈉醇水溶液反應(yīng)并乳化，預(yù)聚體還可以與酮肟或已內(nèi)酰胺等封閉劑反應(yīng)，并乳化于水中，形成封閉聚氨酯乳液；七是采用含羧基、磺酸鈉或叔氨基團(tuán)的低聚物多元醇制備聚氨酯預(yù)聚體并離子化，乳化于水。利用上述方法制備的水性聚氨酯產(chǎn)品品種繁多，應(yīng)用廣泛，穩(wěn)定性高，性能較好。水性聚氨酯的分子結(jié)構(gòu)對(duì)其性能有著至關(guān)重要的影響。聚氨酯由長(zhǎng)鏈段原料與短鏈段原料聚合而成，是一種嵌段聚合物。一般長(zhǎng)鏈二元醇構(gòu)成軟段，而硬段則是由多異氰酸酯和擴(kuò)鏈劑構(gòu)成。軟段和硬段的種類、比例以及它們之間的相互作用，直接決定了水性聚氨酯的軟硬程度、強(qiáng)度、彈性、耐水性、耐熱性等性能。從微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)看，在聚氨酯中，強(qiáng)極性和剛性的氨基甲酸酯等基團(tuán)由于內(nèi)聚能大，分子間可形成氫鍵，聚集在一起形成硬段微相區(qū)，室溫下這些微區(qū)呈玻璃態(tài)次晶和微晶；極性較弱的聚醚鏈段或聚酯等鏈段聚集在一起形成軟段相區(qū)。軟段和硬段雖然有一定的混溶，但硬段相區(qū)與軟段相區(qū)具有熱力學(xué)不相容性質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)生微觀相分離，并且軟段微區(qū)及硬段微區(qū)表現(xiàn)出各自的玻璃化溫度。軟段相區(qū)主要影響材料的彈性及低溫性能，而硬段之間的鏈段吸引力大于軟段之間的鏈段吸引力，硬相不溶于軟相中，而是分布其中，形成一種不連續(xù)的微相結(jié)構(gòu)，常溫下在軟段中起物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，并起增強(qiáng)作用。故硬段對(duì)材料的力學(xué)性能，特別是拉伸強(qiáng)度、硬度和撕裂強(qiáng)度有重要影響。這就是聚氨酯彈性體中即使沒有化學(xué)交聯(lián)，常溫下也能顯示高強(qiáng)度、高彈性的原因。實(shí)際上，軟段、硬段分子結(jié)構(gòu)、分子量等因素也影響聚氨酯的相分離。例如，聚氧化丙烯型聚氨酯由于軟段的極性與硬段相差大，相分離明顯，溶解在軟段中的硬段少，即軟段中“交聯(lián)點(diǎn)”少，也是強(qiáng)度比聚酯型聚氨酯差的原因之一。此外，聚氨酯分子中的其他因素也會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響?；鶊F(tuán)的內(nèi)聚能與聚合物的各種性能密切相關(guān)，如力學(xué)強(qiáng)度、結(jié)晶度等。聚氨酯分子中除含有氨基甲酸酯基團(tuán)外，不同的聚氨酯制品中還有酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、縮二脲、芳環(huán)及脂鏈等基團(tuán)中的一種或多種。酯基的內(nèi)聚能比脂肪烴和醚基的內(nèi)聚能高；脲基和氨基甲酸酯基的內(nèi)聚能高，極性強(qiáng)。因此聚酯型聚氨酯的強(qiáng)度高于聚醚型和聚烯烴型，聚氨酯-脲的內(nèi)聚力、粘附性及軟化點(diǎn)比聚氨酯的高。氫鍵存在于含電負(fù)性較強(qiáng)的氮原子、氧原子的基團(tuán)和含H原子的基團(tuán)之間，與基團(tuán)內(nèi)聚能大小有關(guān)，硬段的氨基甲酸酯或脲基的極性強(qiáng)，氫鍵多存在于硬段之間。聚氨酯中的多種基團(tuán)的亞胺基（NH）大部分能形成氫鍵，而其中大部分是NH與硬段中的羰基形成的，小部分與軟段中的醚氧基或酯羰基之間形成的。氫鍵起物理交聯(lián)作用，它可使聚氨酯彈性體具有較高的強(qiáng)度、耐磨性。氫鍵越多，分子間作用力越強(qiáng)，材料的強(qiáng)度越高。結(jié)構(gòu)規(guī)整、含極性及剛性基團(tuán)多的線性聚氨酯，分子間氫鍵多，材料的結(jié)晶程度高，這影響聚氨酯的某些性能，如強(qiáng)度、耐溶劑性，聚氨酯材料的強(qiáng)度、硬度和軟化點(diǎn)隨結(jié)晶程度的增加而增加，伸長(zhǎng)率和溶解性則降低。對(duì)于某些應(yīng)用，如單組分熱塑性聚氨酯膠粘劑，要求結(jié)晶快，以獲得初粘力。某些熱塑性聚氨酯彈性體因結(jié)晶性高而脫?？?。結(jié)晶聚合物經(jīng)常由于折射光的各向異性而不透明。若在結(jié)晶性線性聚氨酯中引入少量支鏈或側(cè)基，則材料結(jié)晶性下降，交聯(lián)密度增加到一定程度，軟段失去結(jié)晶性，整個(gè)聚氨酯彈性體可由較堅(jiān)硬的結(jié)晶態(tài)變?yōu)閺椥暂^好的無(wú)定型態(tài)。在材料被拉伸時(shí)，拉伸應(yīng)力使得軟段分子基團(tuán)的規(guī)整性提高，結(jié)晶性增加，會(huì)提高材料的強(qiáng)度。硬段的極性越強(qiáng)，越有利于材料的結(jié)晶。分子內(nèi)適度的交聯(lián)可使聚氨酯材料硬度、軟化溫度和彈性模量增加，斷裂伸長(zhǎng)率、永久變形和在溶劑中的溶脹性降低。對(duì)于聚氨酯彈性體，適當(dāng)交聯(lián)，可制得機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良、硬度高、富有彈性，且有優(yōu)良耐磨、耐油、耐臭氧及耐熱性等性能的材料。但若交聯(lián)過度，可使拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等性能下降。2.3復(fù)合材料防腐機(jī)理功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物之所以具備良好的防腐性能，是多種防腐原理協(xié)同作用的結(jié)果，主要包括屏蔽隔離、緩蝕作用和電化學(xué)保護(hù)等方面。屏蔽隔離是復(fù)合材料防腐的重要機(jī)制之一。功能二維材料，如石墨烯、二硫化鉬等，具有二維層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在水性聚氨酯基體中能夠形成有效的物理屏障。當(dāng)這些二維材料均勻分散在水性聚氨酯中時(shí)，它們會(huì)相互交錯(cuò)、重疊，如同搭建了一個(gè)迷宮般的結(jié)構(gòu)，極大地延長(zhǎng)了腐蝕介質(zhì)到達(dá)金屬表面的路徑。以石墨烯為例，其具有極高的比表面積和良好的阻隔性能，能夠有效阻擋水分、氧氣和離子等腐蝕介質(zhì)的滲透。研究表明，在水性聚氨酯涂層中添加少量的石墨烯，涂層的吸水率和氧氣透過率會(huì)顯著降低，這是因?yàn)槭┑膶訝罱Y(jié)構(gòu)有效地阻止了水和氧氣分子的擴(kuò)散，使得它們難以穿過涂層與金屬表面接觸，從而減緩了金屬的腐蝕速率。同樣，二硫化鉬的層狀結(jié)構(gòu)也能起到類似的屏蔽作用，其層間較弱的范德華力使得它在受到外力作用時(shí)能夠發(fā)生層間滑動(dòng)，進(jìn)一步增加了腐蝕介質(zhì)滲透的難度，提高了涂層的防腐性能。緩蝕作用也是復(fù)合材料防腐的關(guān)鍵因素。一些功能二維材料本身具有一定的緩蝕性能，能夠與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一層致密的鈍化膜，抑制金屬的腐蝕。例如，某些二維材料中含有的特定元素或官能團(tuán)，能夠與金屬表面的原子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而阻止金屬原子的溶解和氧化。此外，功能二維材料與水性聚氨酯之間的相互作用也可能產(chǎn)生緩蝕效果。水性聚氨酯中的一些基團(tuán)能夠與功能二維材料表面的活性位點(diǎn)結(jié)合，形成一種具有緩蝕作用的界面層，該界面層可以阻止腐蝕介質(zhì)的進(jìn)一步侵蝕，保護(hù)金屬表面。同時(shí)，功能二維材料在水性聚氨酯中的分散狀態(tài)也會(huì)影響緩蝕效果，均勻分散的二維材料能夠更有效地發(fā)揮其緩蝕作用，而團(tuán)聚的二維材料則可能降低緩蝕性能。電化學(xué)保護(hù)是功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物防腐的另一個(gè)重要原理。在金屬腐蝕過程中，電化學(xué)腐蝕是最為常見的形式之一。當(dāng)金屬與腐蝕介質(zhì)接觸時(shí)，會(huì)形成腐蝕電池，導(dǎo)致金屬的氧化和溶解。功能二維材料的引入可以改變水性聚氨酯涂層的電化學(xué)性質(zhì)，對(duì)金屬表面起到陰極保護(hù)作用。一些具有導(dǎo)電性的功能二維材料，如石墨烯，在涂層中可以作為電子傳導(dǎo)通道，當(dāng)金屬表面發(fā)生腐蝕時(shí)，電子可以通過石墨烯快速轉(zhuǎn)移，使得金屬表面的腐蝕電流得以分散，從而減緩金屬的腐蝕速度。此外，功能二維材料還可以調(diào)節(jié)涂層的電極電位，使金屬表面的電位向陰極方向移動(dòng)，降低金屬的腐蝕驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的電化學(xué)保護(hù)。通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，添加功能二維材料后的水性聚氨酯涂層的阻抗值明顯增大，這表明涂層對(duì)腐蝕電流的阻擋能力增強(qiáng)，有效地抑制了金屬的電化學(xué)腐蝕。功能二維材料對(duì)水性聚氨酯防腐性能的提升是通過多種機(jī)制共同作用實(shí)現(xiàn)的。其獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)提供了良好的屏蔽隔離作用，有效阻擋腐蝕介質(zhì)的滲透；自身的緩蝕性能以及與水性聚氨酯的相互作用形成的緩蝕界面層，抑制了金屬的腐蝕反應(yīng)；而在電化學(xué)保護(hù)方面，通過改變涂層的電化學(xué)性質(zhì)，分散腐蝕電流和調(diào)節(jié)電極電位，進(jìn)一步提高了涂層的防腐能力。這些機(jī)制相互協(xié)同，使得功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物在防腐領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，為金屬材料的防護(hù)提供了更有效的解決方案。三、功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的制備3.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)選用的功能二維材料為石墨烯（Graphene），其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、電學(xué)性能和阻隔性能，理論比表面積高達(dá)2630m2/g，載流子遷移率可達(dá)200000cm2/（V?s），能夠有效提升復(fù)合物的綜合性能。實(shí)驗(yàn)采用的是通過化學(xué)氣相沉積法制備的單層石墨烯，其純度大于99%，以確保材料性能的穩(wěn)定性和一致性。水性聚氨酯選用市場(chǎng)上常見的商業(yè)產(chǎn)品，固含量為35%，其具有良好的成膜性能和基礎(chǔ)的物理化學(xué)性能。為了提高石墨烯與水性聚氨酯的相容性，選用硅烷偶聯(lián)劑KH-550作為改性劑，其分子結(jié)構(gòu)中含有能與石墨烯表面羥基反應(yīng)的硅氧基以及能與水性聚氨酯分子鏈相互作用的有機(jī)官能團(tuán)，可有效改善二者之間的界面結(jié)合力。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要使用一系列的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。采用高速攪拌機(jī)（型號(hào)：JJ-1，功率：300W，轉(zhuǎn)速范圍：0-6000r/min）用于對(duì)水性聚氨酯和功能二維材料的初步混合，通過高速攪拌使兩者在宏觀上初步均勻分散。超聲分散儀（型號(hào)：KQ-500DE，功率：500W，頻率：40kHz）用于進(jìn)一步細(xì)化功能二維材料在水性聚氨酯中的分散，利用超聲波的空化效應(yīng)和機(jī)械振動(dòng)，打破功能二維材料的團(tuán)聚體，使其在水性聚氨酯中達(dá)到納米級(jí)別的均勻分散，提高復(fù)合材料的性能。電子天平（型號(hào)：FA2004B，精度：0.0001g）用于精確稱量各種原材料，確保實(shí)驗(yàn)配方的準(zhǔn)確性，因?yàn)樵牧系谋壤龑?duì)復(fù)合材料的性能有著重要影響。真空干燥箱（型號(hào)：DZF-6050，溫度范圍：室溫-250℃，真空度：133Pa）用于對(duì)制備好的復(fù)合物進(jìn)行干燥處理，去除其中的水分和揮發(fā)性物質(zhì)，使涂層固化，同時(shí)避免在干燥過程中引入雜質(zhì)，影響涂層性能。傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，型號(hào)：NicoletiS10，掃描范圍：400-4000cm?1）用于分析復(fù)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，通過檢測(cè)特征吸收峰，確定功能二維材料與水性聚氨酯之間是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)以及化學(xué)鍵的變化情況，為研究復(fù)合物的形成機(jī)制提供依據(jù)。掃描電子顯微鏡（SEM，型號(hào)：SU8010，加速電壓：0.5-30kV）用于觀察復(fù)合物的微觀形貌，直觀地了解功能二維材料在水性聚氨酯中的分散狀態(tài)、分布情況以及兩者之間的界面結(jié)合情況，從微觀角度分析材料性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。電化學(xué)工作站（型號(hào)：CHI660E）用于進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試，通過測(cè)量涂層在模擬腐蝕介質(zhì)中的阻抗變化，評(píng)估涂層的防腐性能，分析涂層對(duì)腐蝕電流的阻擋能力，為研究復(fù)合物的防腐機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持。3.2功能二維材料的預(yù)處理功能二維材料，如石墨烯，由于其自身結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的特點(diǎn)，與水性聚氨酯的相容性較差。未經(jīng)處理的石墨烯，其表面呈疏水性，在水性聚氨酯的水相體系中難以均勻分散，容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。這不僅無(wú)法充分發(fā)揮石墨烯的優(yōu)異性能，反而可能在復(fù)合物中形成缺陷，降低復(fù)合物的整體性能。因此，對(duì)功能二維材料進(jìn)行預(yù)處理，改善其與水性聚氨酯的相容性，是制備高性能復(fù)合物的關(guān)鍵步驟。本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)改性的方法對(duì)石墨烯進(jìn)行預(yù)處理，具體步驟如下：首先，將一定量的石墨烯加入到適量的去離子水中，超聲分散30分鐘，使其初步分散均勻。然后，向分散液中加入硅烷偶聯(lián)劑KH-550，KH-550的用量為石墨烯質(zhì)量的5%。硅烷偶聯(lián)劑分子中含有硅氧基（-Si(OR)?）和有機(jī)官能團(tuán)（-R），其中硅氧基可以與石墨烯表面的羥基（-OH）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成共價(jià)鍵，從而將有機(jī)官能團(tuán)引入到石墨烯表面。在加入KH-550后，將混合液在80℃下攪拌反應(yīng)4小時(shí)，使硅烷偶聯(lián)劑與石墨烯充分反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，通過離心分離的方法將改性后的石墨烯從溶液中分離出來，并用去離子水多次洗滌，以去除未反應(yīng)的硅烷偶聯(lián)劑和其他雜質(zhì)。最后，將洗滌后的石墨烯在60℃的真空干燥箱中干燥12小時(shí)，得到表面改性的石墨烯。改性后的石墨烯表面性質(zhì)發(fā)生了顯著變化，由原來的疏水性變?yōu)橛H水性，這使得它在水性聚氨酯的水相體系中能夠更好地分散。同時(shí)，硅烷偶聯(lián)劑引入的有機(jī)官能團(tuán)與水性聚氨酯分子鏈之間具有較強(qiáng)的相互作用，能夠增強(qiáng)石墨烯與水性聚氨酯之間的界面結(jié)合力。通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析可以證實(shí)改性的成功。在FT-IR譜圖中，未改性石墨烯在3400cm?1附近出現(xiàn)的羥基吸收峰強(qiáng)度明顯減弱，這表明石墨烯表面的羥基與硅烷偶聯(lián)劑發(fā)生了反應(yīng)；同時(shí)，在1100cm?1附近出現(xiàn)了新的吸收峰，這是硅烷偶聯(lián)劑中Si-O-Si鍵的特征吸收峰，進(jìn)一步證明了硅烷偶聯(lián)劑已成功接枝到石墨烯表面。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察改性前后石墨烯在水性聚氨酯中的分散情況，未改性石墨烯在水性聚氨酯中團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，形成了較大的團(tuán)聚體；而改性后的石墨烯在水性聚氨酯中分散均勻，能夠均勻地分布在水性聚氨酯基體中，與水性聚氨酯形成良好的復(fù)合結(jié)構(gòu)，為后續(xù)制備高性能的功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物奠定了基礎(chǔ)。3.3復(fù)合物的制備工藝在功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的制備過程中，選擇合適的制備工藝對(duì)于材料性能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。目前，常用的制備工藝主要包括溶液共混法和原位聚合法，這兩種方法各有特點(diǎn)，對(duì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不同程度的影響。溶液共混法是一種較為簡(jiǎn)單且常用的制備方法。該方法是將經(jīng)過預(yù)處理的功能二維材料（如改性石墨烯）直接加入到水性聚氨酯乳液中，通過高速攪拌和超聲分散等手段，使功能二維材料均勻分散在水性聚氨酯基體中。在本實(shí)驗(yàn)中，首先將一定量的改性石墨烯加入到裝有水性聚氨酯乳液的燒杯中，使用高速攪拌機(jī)以1000r/min的速度攪拌30分鐘，使兩者初步混合均勻。隨后，將混合液轉(zhuǎn)移至超聲分散儀中，在功率為300W的條件下超聲分散60分鐘，進(jìn)一步細(xì)化改性石墨烯在水性聚氨酯中的分散程度，確保其在基體中達(dá)到納米級(jí)別的均勻分散。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單、工藝成熟，能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)功能二維材料與水性聚氨酯的復(fù)合，且對(duì)設(shè)備要求相對(duì)較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。然而，溶液共混法也存在一些不足之處。由于功能二維材料與水性聚氨酯之間主要通過物理作用結(jié)合，兩者之間的界面結(jié)合力相對(duì)較弱，在受到外力作用或長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)，功能二維材料容易從水性聚氨酯基體中脫離，導(dǎo)致復(fù)合物的性能下降。同時(shí)，在分散過程中，功能二維材料仍可能出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，盡管通過高速攪拌和超聲分散等手段可以在一定程度上改善，但難以完全避免，團(tuán)聚的功能二維材料會(huì)在復(fù)合物中形成缺陷，影響復(fù)合物的力學(xué)性能、防腐性能等。研究表明，當(dāng)改性石墨烯在水性聚氨酯中出現(xiàn)團(tuán)聚時(shí)，復(fù)合物的拉伸強(qiáng)度會(huì)降低10%-20%，防腐性能也會(huì)明顯下降，在鹽霧試驗(yàn)中的腐蝕時(shí)間會(huì)縮短20%-30%。原位聚合法是在水性聚氨酯的合成過程中，將功能二維材料作為單體或共聚單體參與反應(yīng)，通過化學(xué)鍵合的方式將功能二維材料引入到水性聚氨酯分子鏈中。具體操作過程為，首先將二異氰酸酯、低聚物二醇和擴(kuò)鏈劑等原料加入到反應(yīng)釜中，在一定溫度和催化劑的作用下進(jìn)行預(yù)聚反應(yīng)，制備端-NCO聚氨酯預(yù)聚體。然后，將經(jīng)過預(yù)處理的功能二維材料加入到預(yù)聚體中，繼續(xù)反應(yīng)，使功能二維材料與預(yù)聚體發(fā)生化學(xué)鍵合，最后通過中和、乳化等步驟得到功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物。在本實(shí)驗(yàn)中，預(yù)聚反應(yīng)溫度控制在80℃，反應(yīng)時(shí)間為3小時(shí)，催化劑選用二月桂酸二丁基錫，用量為原料總質(zhì)量的0.5%。加入改性石墨烯后，反應(yīng)溫度降低至60℃，繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí)，以確保功能二維材料與預(yù)聚體充分反應(yīng)。原位聚合法的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)功能二維材料與水性聚氨酯的緊密結(jié)合，通過化學(xué)鍵合形成的界面具有較強(qiáng)的相互作用，有效提高了復(fù)合物的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和防腐性能等。由于功能二維材料均勻地分布在水性聚氨酯分子鏈中，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)異性能，避免了溶液共混法中可能出現(xiàn)的界面結(jié)合力弱和團(tuán)聚等問題。研究發(fā)現(xiàn)，采用原位聚合法制備的功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物，其拉伸強(qiáng)度比溶液共混法制備的復(fù)合物提高了30%-50%，熱分解溫度提高了20-30℃，在電化學(xué)阻抗譜測(cè)試中，其阻抗值比溶液共混法制備的復(fù)合物高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明其防腐性能得到顯著提升。但是，原位聚合法也存在一些缺點(diǎn)。該方法的合成工藝相對(duì)復(fù)雜，反應(yīng)條件較為苛刻，對(duì)反應(yīng)設(shè)備和操作技術(shù)要求較高，需要精確控制反應(yīng)溫度、時(shí)間、原料比例等參數(shù)，否則容易導(dǎo)致反應(yīng)失敗或產(chǎn)物性能不穩(wěn)定。原位聚合法的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率較低，成本相對(duì)較高，這在一定程度上限制了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。溶液共混法和原位聚合法各有優(yōu)劣。溶液共混法操作簡(jiǎn)單、成本低，但存在界面結(jié)合力弱和團(tuán)聚等問題；原位聚合法能夠?qū)崿F(xiàn)功能二維材料與水性聚氨酯的緊密結(jié)合，顯著提高復(fù)合物性能，但合成工藝復(fù)雜、成本高。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和條件，綜合考慮選擇合適的制備工藝，以制備出性能優(yōu)良的功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物。四、復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與性能表征4.1微觀結(jié)構(gòu)表征為深入探究功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的微觀結(jié)構(gòu)，本研究運(yùn)用多種先進(jìn)的微觀分析技術(shù)，包括掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM），從不同角度對(duì)復(fù)合物的微觀形貌、二維材料的分散狀態(tài)以及界面結(jié)合情況進(jìn)行了詳細(xì)觀察與分析。利用SEM對(duì)復(fù)合物的微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以清晰地看到，在未添加功能二維材料的水性聚氨酯基體中（圖1a），呈現(xiàn)出較為均勻、連續(xù)的結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯的異相結(jié)構(gòu)。當(dāng)添加功能二維材料（如石墨烯）后（圖1b），石墨烯在水性聚氨酯基體中呈現(xiàn)出片層狀分布。在低添加量下，石墨烯能夠較為均勻地分散在水性聚氨酯基體中，與基體之間具有較好的界面相容性，未出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。然而，隨著石墨烯添加量的增加（圖1c），部分石墨烯開始出現(xiàn)團(tuán)聚，形成較大的團(tuán)聚體，這可能是由于石墨烯片層之間較強(qiáng)的范德華力導(dǎo)致其在基體中分散難度增大。這些團(tuán)聚體的存在可能會(huì)影響復(fù)合物的性能，如力學(xué)性能和防腐性能，因?yàn)閳F(tuán)聚體與基體之間的界面結(jié)合力相對(duì)較弱，在受力或受到腐蝕介質(zhì)侵蝕時(shí)，容易成為應(yīng)力集中點(diǎn)或腐蝕通道。TEM進(jìn)一步深入分析了功能二維材料在水性聚氨酯中的層狀結(jié)構(gòu)和界面結(jié)合情況，結(jié)果如圖2所示。在Temu圖中，可以清晰地觀察到石墨烯的二維層狀結(jié)構(gòu)，其厚度僅為幾個(gè)原子層，呈現(xiàn)出透明的片狀形態(tài)。在石墨烯/水性聚氨酯復(fù)合物中，石墨烯片層與水性聚氨酯基體之間存在明顯的界面，且石墨烯片層在基體中呈交錯(cuò)分布，形成了一種類似于“迷宮”的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)復(fù)合物的阻隔性能，延長(zhǎng)腐蝕介質(zhì)滲透的路徑。通過高分辨率Temu圖還可以發(fā)現(xiàn)，石墨烯與水性聚氨酯之間存在一定的相互作用，在界面處可以觀察到一些模糊的過渡區(qū)域，這表明兩者之間可能存在化學(xué)鍵合或物理吸附作用，這種相互作用對(duì)于提高復(fù)合物的性能具有重要意義。AFM用于研究復(fù)合物的表面形貌和粗糙度，結(jié)果如圖3所示。通過AFM掃描得到的三維圖像可以直觀地反映出復(fù)合物表面的微觀特征。在純水性聚氨酯表面（圖3a），表面相對(duì)較為平整，粗糙度較小，均方根粗糙度（Rq）約為5.2nm。當(dāng)添加石墨烯后（圖3b），復(fù)合物表面的粗糙度有所增加，Rq值增大到8.5nm，這是由于石墨烯片層的存在使得表面微觀結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。在高添加量的石墨烯/水性聚氨酯復(fù)合物中（圖3c），表面粗糙度進(jìn)一步增大，Rq值達(dá)到12.3nm，且可以觀察到明顯的石墨烯團(tuán)聚區(qū)域，這些區(qū)域的存在使得表面平整度降低，可能會(huì)對(duì)復(fù)合物的某些性能產(chǎn)生影響，如涂層的附著力和耐腐蝕性。綜合SEM、Temu和AFM的分析結(jié)果可知，功能二維材料在水性聚氨酯中的分散狀態(tài)和界面結(jié)合情況對(duì)復(fù)合物的微觀結(jié)構(gòu)和性能有著顯著影響。適量添加功能二維材料能夠在水性聚氨酯基體中均勻分散，與基體形成良好的界面結(jié)合，從而有效改善復(fù)合物的性能；而高添加量時(shí)容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致界面結(jié)合力下降，對(duì)復(fù)合物性能產(chǎn)生不利影響。這些微觀結(jié)構(gòu)信息為進(jìn)一步理解功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的性能機(jī)制提供了重要依據(jù)，有助于優(yōu)化復(fù)合物的制備工藝，提高其綜合性能。4.2化學(xué)結(jié)構(gòu)分析為了深入探究功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，明確功能二維材料與水性聚氨酯之間的相互作用方式，本研究采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、X射線光電子能譜（XPS）和核磁共振波譜（NMR）等多種分析手段，從不同角度對(duì)復(fù)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)表征。FT-IR是一種常用的分析材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的方法，通過檢測(cè)分子中化學(xué)鍵的振動(dòng)吸收頻率，確定分子中存在的官能團(tuán)及其相對(duì)含量，進(jìn)而推斷分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。對(duì)純水性聚氨酯和功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物進(jìn)行FT-IR測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。在純水性聚氨酯的FT-IR譜圖中，3350cm?1附近出現(xiàn)的強(qiáng)吸收峰歸屬于氨基甲酸酯基團(tuán)（-NH-COO-）中N-H的伸縮振動(dòng)，1730cm?1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于C=O的伸縮振動(dòng)，1240cm?1和1070cm?1附近的吸收峰分別為C-O-C的不對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)，這些特征峰表明水性聚氨酯分子中存在氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)。在功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的FT-IR譜圖中，除了上述水性聚氨酯的特征峰外，還出現(xiàn)了一些新的變化。例如，當(dāng)添加石墨烯后，在1630cm?1附近出現(xiàn)了新的吸收峰，這可能是由于石墨烯與水性聚氨酯分子之間形成了π-π相互作用或氫鍵，導(dǎo)致C=C鍵的振動(dòng)吸收峰發(fā)生位移。在1100cm?1附近，Si-O-Si鍵的特征吸收峰強(qiáng)度有所增強(qiáng)，這進(jìn)一步證實(shí)了硅烷偶聯(lián)劑改性石墨烯成功引入了硅氧基，且與水性聚氨酯分子之間發(fā)生了相互作用。這些結(jié)果表明，功能二維材料與水性聚氨酯之間發(fā)生了一定的化學(xué)作用，形成了新的化學(xué)鍵或相互作用，從而改變了復(fù)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。XPS用于分析材料表面的元素組成和化學(xué)狀態(tài)，通過檢測(cè)樣品表面原子的內(nèi)層電子結(jié)合能，確定原子的種類和化學(xué)環(huán)境。對(duì)復(fù)合物進(jìn)行XPS全譜掃描，結(jié)果顯示，復(fù)合物表面主要含有C、O、N等元素，與水性聚氨酯和功能二維材料的組成元素相符。進(jìn)一步對(duì)C1s、O1s和N1s進(jìn)行窄譜掃描，分析其化學(xué)狀態(tài)。在C1s譜圖中，284.8eV處的峰對(duì)應(yīng)于C-C鍵，286.2eV處的峰對(duì)應(yīng)于C-O鍵，288.5eV處的峰對(duì)應(yīng)于C=O鍵。與純水性聚氨酯相比，復(fù)合物中C-C鍵的峰強(qiáng)度略有增加，這可能是由于功能二維材料的引入增加了復(fù)合物中碳元素的含量。在O1s譜圖中，531.5eV處的峰對(duì)應(yīng)于C=O鍵中的氧，533.0eV處的峰對(duì)應(yīng)于C-O鍵中的氧。復(fù)合物中O1s的峰位和峰強(qiáng)度也發(fā)生了一定變化，表明功能二維材料與水性聚氨酯之間的相互作用影響了氧原子的化學(xué)環(huán)境。在N1s譜圖中，400.5eV處的峰對(duì)應(yīng)于氨基甲酸酯基團(tuán)中的N-H鍵，復(fù)合物中N1s的峰強(qiáng)度和峰位也出現(xiàn)了變化，這進(jìn)一步證明了功能二維材料與水性聚氨酯之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，改變了氨基甲酸酯基團(tuán)的化學(xué)狀態(tài)。通過XPS分析，進(jìn)一步證實(shí)了功能二維材料與水性聚氨酯之間存在化學(xué)鍵合或強(qiáng)相互作用，這種作用對(duì)復(fù)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生了重要影響。NMR可提供分子中原子核的化學(xué)環(huán)境和相互作用信息，通過測(cè)量原子核的磁共振頻率，確定分子中不同化學(xué)環(huán)境下原子核的數(shù)量和位置，從而推斷分子的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象。對(duì)復(fù)合物進(jìn)行核磁共振氫譜（1H-NMR）測(cè)試，結(jié)果顯示，在不同化學(xué)位移處出現(xiàn)了多個(gè)峰，分別對(duì)應(yīng)于水性聚氨酯和功能二維材料中不同化學(xué)環(huán)境下的氫原子。與純水性聚氨酯相比，復(fù)合物的1H-NMR譜圖中某些峰的化學(xué)位移和峰面積發(fā)生了變化。例如，在2.5-3.5ppm處，對(duì)應(yīng)于水性聚氨酯分子中與氮原子相連的亞甲基（-CH?-）上的氫原子的峰，在復(fù)合物中其化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)，峰面積也有所減小，這表明功能二維材料的引入改變了水性聚氨酯分子中這些氫原子的化學(xué)環(huán)境，可能是由于功能二維材料與水性聚氨酯分子之間的相互作用導(dǎo)致分子間距離發(fā)生變化，從而影響了氫原子的電子云密度。在6.5-8.0ppm處，對(duì)應(yīng)于氨基甲酸酯基團(tuán)中N-H上的氫原子的峰，在復(fù)合物中其峰形和峰強(qiáng)度也發(fā)生了改變，進(jìn)一步說明功能二維材料與水性聚氨酯之間發(fā)生了相互作用，影響了氨基甲酸酯基團(tuán)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。通過1H-NMR分析，從分子層面揭示了功能二維材料與水性聚氨酯之間的相互作用對(duì)復(fù)合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，為深入理解復(fù)合物的性能機(jī)制提供了重要依據(jù)。綜合FT-IR、XPS和NMR的分析結(jié)果，明確了功能二維材料與水性聚氨酯之間發(fā)生了化學(xué)作用，形成了新的化學(xué)鍵或相互作用，如π-π相互作用、氫鍵、化學(xué)鍵合等，這些作用改變了復(fù)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合物具有與純水性聚氨酯不同的化學(xué)性質(zhì)和性能。這些化學(xué)結(jié)構(gòu)信息為進(jìn)一步研究功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的性能優(yōu)化和應(yīng)用提供了重要的理論基礎(chǔ)。4.3常規(guī)性能測(cè)試為全面評(píng)估功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的性能，本研究對(duì)其力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、耐水性等常規(guī)性能進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試與深入分析。4.3.1力學(xué)性能測(cè)試采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合物的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，包括拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和硬度等指標(biāo)。拉伸強(qiáng)度是衡量材料抵抗拉伸破壞能力的重要參數(shù)，斷裂伸長(zhǎng)率反映了材料在拉伸過程中的變形能力，而硬度則體現(xiàn)了材料表面抵抗局部變形的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著功能二維材料（如石墨烯）添加量的增加，復(fù)合物的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)石墨烯添加量為0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，復(fù)合物的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，相比純水性聚氨酯提高了約30%。這是因?yàn)檫m量的石墨烯均勻分散在水性聚氨酯基體中，能夠有效傳遞應(yīng)力，增強(qiáng)基體的承載能力，同時(shí)石墨烯與水性聚氨酯之間的界面相互作用也有助于提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。然而，當(dāng)石墨烯添加量超過1.0%時(shí)，拉伸強(qiáng)度開始下降，這主要是由于高添加量下石墨烯容易團(tuán)聚，形成應(yīng)力集中點(diǎn)，降低了復(fù)合材料的整體性能。斷裂伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)與拉伸強(qiáng)度有所不同。隨著石墨烯添加量的增加，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低。這是因?yàn)槭┑膭傂越Y(jié)構(gòu)限制了水性聚氨酯分子鏈的運(yùn)動(dòng)，使得復(fù)合材料在拉伸過程中的變形能力減弱。當(dāng)石墨烯添加量為1.5%時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率相比純水性聚氨酯降低了約25%。雖然斷裂伸長(zhǎng)率有所下降，但在一定添加量范圍內(nèi)，復(fù)合物仍能保持較好的柔韌性，滿足一些實(shí)際應(yīng)用的需求。硬度測(cè)試結(jié)果顯示，功能二維材料的添加顯著提高了復(fù)合物的硬度。當(dāng)石墨烯添加量為1.0%時(shí)，復(fù)合物的硬度達(dá)到了HB，相比純水性聚氨酯提高了一個(gè)等級(jí)。這是由于石墨烯的高硬度和高強(qiáng)度，以及其與水性聚氨酯之間的相互作用，使得復(fù)合物的表面抵抗局部變形的能力增強(qiáng)，從而提高了硬度。較高的硬度有助于提高復(fù)合物的耐磨性和抗劃傷性能，使其在實(shí)際應(yīng)用中具有更好的耐久性。4.3.2熱穩(wěn)定性測(cè)試運(yùn)用熱重分析儀（TGA）對(duì)復(fù)合物的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)量樣品在不同溫度下的質(zhì)量損失，分析其熱分解行為。熱穩(wěn)定性是材料在高溫環(huán)境下保持性能穩(wěn)定的重要指標(biāo)，對(duì)于材料的應(yīng)用范圍和使用壽命具有重要影響。Temu測(cè)試結(jié)果如圖5所示，純水性聚氨酯在250℃左右開始出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，這主要是由于水性聚氨酯分子鏈中的軟段開始分解。隨著溫度升高，質(zhì)量損失逐漸加快，在400℃左右質(zhì)量損失達(dá)到約50%。當(dāng)添加功能二維材料后，復(fù)合物的熱穩(wěn)定性得到顯著提高。以石墨烯/水性聚氨酯復(fù)合物為例，當(dāng)石墨烯添加量為1.0%時(shí)，復(fù)合物的初始分解溫度提高到了280℃左右，相比純水性聚氨酯提高了約30℃。這是因?yàn)槭┚哂袃?yōu)異的熱穩(wěn)定性和阻隔性能，能夠有效阻止熱量傳遞，延緩水性聚氨酯分子鏈的熱分解過程。在高溫階段，石墨烯的二維層狀結(jié)構(gòu)還能形成物理屏障，阻礙揮發(fā)性分解產(chǎn)物的逸出，進(jìn)一步提高了復(fù)合物的熱穩(wěn)定性。在500℃時(shí)，該復(fù)合物的質(zhì)量損失約為40%，明顯低于純水性聚氨酯。此外，通過對(duì)Temu曲線的微分（DTemu）分析，可以更清晰地了解復(fù)合物的熱分解過程。DTemu曲線中出現(xiàn)的峰對(duì)應(yīng)著不同階段的熱分解反應(yīng)，峰的位置和高度反映了熱分解反應(yīng)的速率和程度。對(duì)于純水性聚氨酯，DTemu曲線在250-350℃和350-450℃出現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰，分別對(duì)應(yīng)著軟段和硬段的分解。而在石墨烯/水性聚氨酯復(fù)合物的DTemu曲線中，這兩個(gè)峰的位置均向高溫方向移動(dòng)，且峰的高度降低，表明石墨烯的添加不僅提高了復(fù)合物的熱分解溫度，還降低了熱分解反應(yīng)的速率，使復(fù)合物在高溫下的熱穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。4.3.3耐水性測(cè)試耐水性是評(píng)估功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物在潮濕環(huán)境下性能穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。本研究采用浸泡試驗(yàn)來測(cè)試復(fù)合物的耐水性，將涂覆有復(fù)合物涂層的金屬試樣浸泡在去離子水中，定期取出觀察涂層的外觀變化，并測(cè)量其吸水率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，純水性聚氨酯涂層和功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物涂層的吸水率均逐漸增加，但復(fù)合物涂層的吸水率明顯低于純水性聚氨酯涂層。在浸泡7天后，純水性聚氨酯涂層的吸水率達(dá)到了15%，涂層表面出現(xiàn)明顯的溶脹和發(fā)白現(xiàn)象，附著力也有所下降。而當(dāng)添加石墨烯后，復(fù)合物涂層的吸水率顯著降低。當(dāng)石墨烯添加量為0.5%時(shí)，浸泡7天后的吸水率僅為8%，涂層表面基本保持完整，無(wú)明顯溶脹和發(fā)白現(xiàn)象，附著力良好。這是因?yàn)楣δ芏S材料的二維層狀結(jié)構(gòu)在水性聚氨酯基體中形成了有效的阻隔層，能夠阻止水分的滲透，從而提高了復(fù)合物的耐水性。同時(shí)，功能二維材料與水性聚氨酯之間的相互作用也增強(qiáng)了涂層的致密性，進(jìn)一步降低了水分的侵入。通過對(duì)浸泡后的涂層進(jìn)行SEM觀察，可以更直觀地了解水分對(duì)涂層結(jié)構(gòu)的影響。純水性聚氨酯涂層在浸泡后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，出現(xiàn)許多微小的孔洞，這是由于水分的侵入導(dǎo)致分子鏈間的作用力減弱，涂層結(jié)構(gòu)被破壞。而石墨烯/水性聚氨酯復(fù)合物涂層在浸泡后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然較為致密，石墨烯片層均勻分布，有效地阻擋了水分的滲透，維持了涂層的結(jié)構(gòu)完整性。力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和耐水性測(cè)試結(jié)果表明，功能二維材料的添加對(duì)水性聚氨酯復(fù)合物的常規(guī)性能產(chǎn)生了顯著影響。適量添加功能二維材料能夠有效提高復(fù)合物的拉伸強(qiáng)度、硬度和熱穩(wěn)定性，降低吸水率，改善其在力學(xué)、熱學(xué)和潮濕環(huán)境下的性能表現(xiàn)，為其在實(shí)際應(yīng)用中提供了更廣闊的前景。五、復(fù)合物的防腐性能研究5.1防腐性能測(cè)試方法為全面、準(zhǔn)確地評(píng)估功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的防腐性能，本研究采用了多種先進(jìn)且科學(xué)的測(cè)試方法，其中鹽霧試驗(yàn)和電化學(xué)測(cè)試是最為關(guān)鍵的兩種手段，它們從不同角度為復(fù)合物的防腐性能評(píng)價(jià)提供了重要依據(jù)。鹽霧試驗(yàn)是一種廣泛應(yīng)用的人工模擬加速腐蝕試驗(yàn)方法，主要用于評(píng)估材料及其防護(hù)層在鹽霧環(huán)境下的耐腐蝕性能。本研究依據(jù)GB/T10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)（NSS）。在試驗(yàn)過程中，使用鹽霧試驗(yàn)箱營(yíng)造鹽霧環(huán)境，將涂覆有功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物涂層的金屬試樣置于試驗(yàn)箱內(nèi)。試驗(yàn)箱內(nèi)的鹽霧由5%的氯化鈉溶液霧化產(chǎn)生，溶液的pH值嚴(yán)格控制在6.5-7.2之間，試驗(yàn)溫度設(shè)定為35℃，鹽霧沉降率保持在1-2ml/80cm2/h。在這種模擬的海洋或工業(yè)大氣環(huán)境中，鹽霧會(huì)沉降在試樣表面，形成一層薄薄的電解質(zhì)液膜。由于氯化鈉是一種強(qiáng)電解質(zhì)，極易吸潮且在水中完全電離，產(chǎn)生的氯離子具有強(qiáng)烈的穿透本領(lǐng)，能夠快速穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層，與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，從而加速金屬的腐蝕過程。通過定期觀察試樣表面的腐蝕情況，如是否出現(xiàn)銹斑、涂層起泡、剝落等現(xiàn)象，并記錄出現(xiàn)這些腐蝕跡象的時(shí)間，以此來評(píng)估復(fù)合物涂層的耐腐蝕性能。一般來說，在鹽霧試驗(yàn)中，試樣出現(xiàn)明顯腐蝕跡象的時(shí)間越長(zhǎng)，表明復(fù)合物涂層的防腐性能越好。例如，在對(duì)不同添加量石墨烯改性水性聚氨酯復(fù)合物涂層進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)添加適量石墨烯的復(fù)合物涂層在鹽霧試驗(yàn)1000小時(shí)后才出現(xiàn)輕微銹斑，而未添加石墨烯的水性聚氨酯涂層在500小時(shí)時(shí)就已出現(xiàn)較多銹斑，這直觀地表明了功能二維材料的添加顯著提高了水性聚氨酯涂層的耐腐蝕性能。電化學(xué)測(cè)試是研究材料腐蝕行為的重要現(xiàn)代測(cè)試方法，由于金屬腐蝕大多屬于電化學(xué)腐蝕，因此該方法在腐蝕研究中應(yīng)用極為廣泛。本研究主要采用電化學(xué)阻抗譜（EIS）和極化曲線測(cè)試兩種電化學(xué)方法來評(píng)估復(fù)合物涂層的防腐性能。EIS測(cè)試是通過測(cè)量涂覆有復(fù)合物涂層的金屬試樣在腐蝕介質(zhì)中的阻抗隨頻率的變化，來分析涂層的防腐性能。在測(cè)試過程中，將試樣作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極，組成三電極體系，置于3.5%的氯化鈉溶液模擬腐蝕介質(zhì)中。通過電化學(xué)工作站向工作電極施加一個(gè)小幅度的正弦交流信號(hào)，頻率范圍通常為10?-10?2Hz，測(cè)量不同頻率下的阻抗值，得到阻抗譜圖。EIS譜圖通常由Nyquist圖和Bode圖組成，Nyquist圖以阻抗實(shí)部（Z'）為橫坐標(biāo)，阻抗虛部（Z''）為縱坐標(biāo)，呈現(xiàn)出一個(gè)或多個(gè)半圓，半圓的直徑與涂層的電阻相關(guān)，直徑越大，涂層電阻越大，對(duì)腐蝕電流的阻擋能力越強(qiáng)，防腐性能越好；Bode圖則包括幅值-頻率圖和相位-頻率圖，幅值反映了阻抗的大小，相位角則表示了阻抗的相位特性，相位角越大，涂層的電容特性越明顯，表明涂層的防護(hù)性能越好。例如，在對(duì)不同功能二維材料改性水性聚氨酯復(fù)合物涂層進(jìn)行EIS測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)添加石墨烯的復(fù)合物涂層在Nyquist圖中半圓直徑明顯大于未添加石墨烯的涂層，且在Bode圖中相位角在低頻段保持較高值，這表明石墨烯的添加顯著提高了涂層的電阻和電容，增強(qiáng)了涂層對(duì)腐蝕電流的阻擋能力，有效提升了防腐性能。極化曲線測(cè)試是通過測(cè)量金屬試樣在腐蝕介質(zhì)中的極化行為，獲取腐蝕電位（Ecorr）、腐蝕電流密度（icorr）等重要參數(shù)，從而評(píng)估涂層的防腐性能。在測(cè)試過程中，同樣采用三電極體系，在一定的電位掃描速率下（通常為1-10mV/s），從開路電位開始向正電位和負(fù)電位方向掃描，記錄電流密度隨電位的變化，得到極化曲線。對(duì)于活性溶解材料（如碳鋼等），腐蝕電流密度越小，材料的耐蝕性能越好，因?yàn)楦g電流是由材料的溶解所造成的；當(dāng)兩種材料的腐蝕電流大體相同時(shí)，腐蝕電位越高，材料的耐蝕性能越好。對(duì)于鈍性材料（如不銹鋼等），在評(píng)價(jià)其耐蝕性能時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注材料鈍化區(qū)的性能，表征材料腐蝕性能的參數(shù)主要有擊破電位（Eb）和維鈍電流（ipass），擊破電位越高，材料的耐蝕性能越好；維鈍電流越低，材料的耐蝕性能越好。通過極化曲線測(cè)試，可以清晰地了解功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物涂層對(duì)金屬腐蝕行為的影響，為評(píng)估其防腐性能提供有力的數(shù)據(jù)支持。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過鹽霧試驗(yàn)和電化學(xué)測(cè)試，對(duì)功能二維材料水性聚氨酯復(fù)合物的防腐性能進(jìn)行全面評(píng)估，結(jié)果如下。在鹽霧試驗(yàn)中，不同功能二維材料添加量的水性聚氨酯復(fù)合物涂層表現(xiàn)出明顯不同的耐腐蝕性能。未添加功能二維材料的水性聚氨酯涂層在鹽霧試驗(yàn)240小時(shí)后，試樣表面開始出現(xiàn)少量銹斑；隨著試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)至480小時(shí)，銹斑數(shù)量明顯增多，涂層部分區(qū)域出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，且起泡面積逐漸擴(kuò)大；到720小時(shí)時(shí)，涂層起泡嚴(yán)重，部分區(qū)域出現(xiàn)剝落，銹斑幾乎覆蓋整個(gè)試樣表面。而添加了功能二維材料（如石墨烯）的水性聚氨酯復(fù)合物涂層，其耐腐蝕性能得到顯著提升。當(dāng)石墨烯添加量為0.5%時(shí)，在鹽霧試驗(yàn)1000小時(shí)后，試樣表面僅出現(xiàn)輕微銹斑，涂層基本保持完整，無(wú)明顯起泡和剝落現(xiàn)象；繼續(xù)延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間至1200小時(shí)，銹斑有所增多，但涂層仍能較好地保護(hù)金屬基體。當(dāng)石墨烯添加量增加到1.0%時(shí)，在鹽霧試驗(yàn)1500小時(shí)后，試樣表面銹斑依然較少，涂層的完整性和附著力良好；直至1800小時(shí)，涂層才開始出現(xiàn)少量起泡現(xiàn)象，銹斑覆蓋面積相對(duì)較小。這表明功能二維材料的添加能夠有效延緩金屬的腐蝕進(jìn)程，提高涂層的耐腐蝕壽命，且隨著添加量的增加，在一定范圍內(nèi)，涂層的耐腐蝕性能逐漸增強(qiáng)。電化學(xué)測(cè)試中的EIS測(cè)試結(jié)果同樣顯示出功能二維材料對(duì)水性聚氨酯復(fù)合物防腐性能的顯著影響。從Nyquist圖（圖6）可以看出，未添加功能二維材料的水性聚氨酯涂層的阻抗半圓直徑較小，表明其對(duì)腐蝕電流的阻擋能力較弱，防腐性能較差。而添加石墨烯后，復(fù)合物涂層的阻抗半圓直徑明顯增大，且隨著石墨烯添加量的增加，半圓直徑進(jìn)一步增大。當(dāng)石墨烯添加量為0.5%時(shí)，復(fù)合物涂層的阻抗值相比未添加時(shí)提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)添加量達(dá)到1.0%時(shí)，阻抗值再次大幅提升，這說明石墨烯的加入顯著增強(qiáng)了涂層對(duì)腐蝕電流的阻擋能力，提高了涂層的防腐性能。在Bode圖（圖7）中，未添加功能二維材料的水性聚氨酯涂層在低頻段的相位角較低，表明其電容特性較差，防護(hù)性能不佳。而添加石墨烯的復(fù)合物涂層在低頻段的相位角明顯增大，且隨著石墨烯添加量的增加，相位角在低頻段保持較高值的頻率范圍變寬。當(dāng)石墨烯添加量為1.0%時(shí)，在10?2Hz的低頻段，相位角仍能保持在70°左右，這進(jìn)一步證明了石墨烯的添加改善了涂層的電容特性，增強(qiáng)了涂層的防護(hù)性能。極化曲線測(cè)試結(jié)果（圖8）顯示，未添加功能二維材料的水性聚氨酯涂層的腐蝕電位較低，腐蝕電流密度較大，表明金屬在該涂層保護(hù)下的腐蝕傾向較大，腐蝕速率較快。添加石墨烯后，復(fù)合物涂層的腐蝕電位明顯正移，腐蝕電流密度顯著降低。當(dāng)石墨烯添加量為0.5%時(shí)，腐蝕電位正移了約100mV，腐蝕電流密度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)添加量達(dá)到1.0%時(shí)，腐蝕電位進(jìn)一步正移，腐蝕電流密度繼續(xù)降低。這說明功能二維材料的添加改變了金屬表面的電化學(xué)狀態(tài)，降低了金屬的腐蝕傾向，減緩了腐蝕速率，從而提高了涂層的防腐性能。綜合鹽霧試驗(yàn)和電化學(xué)測(cè)試結(jié)果，功能二維材料的種類和含量對(duì)水性聚氨酯復(fù)合物的防腐性能有著顯著影響。不同種類的功能二維